現場巖土熱物性參數的影響因素分析

石凱波，王景剛，鮑玲玲，侯松寶，曹 輝

現場巖土熱物性參數的影響因素分析

石凱波，王景剛，鮑玲玲，侯松寶，曹 輝

（河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038）

對邢臺市一試驗井分別進行3d和2d的熱響應試驗，研究加熱功率、測試時長、土壤初始溫度對巖土熱物性參數的影響。結果表明，同一測試孔在不同的加熱功率下的巖土熱物性參數存在差異；測試時長為48～64 h時測得的巖土熱物性參數比較穩定；土壤初始溫度越高，巖土熱擴散系數越小。

熱響應試驗；加熱功率；測試時長；土壤初始溫度

1 單孔熱響應試驗

試驗地點位于邢臺南宮市。試驗孔參數見表1。

1.1 地層結構

巖土的熱物性參數與地層的密度、含水率、孔隙比、地下水滲流[6-7]等因素有關。根據邢臺地礦局提供的資料，該地區地面以下150 m深度的土樣主要以粘土、粉粘、粉土為主。含水率在14.2%～36.9%范圍內，密度在1.84～2.15 g/cm3范圍內，孔隙比在0.488～1.039范圍內。

1.2 測試裝置與流程

測量裝置主要部件由功率可調的電加熱器、循環水泵、加熱水箱、溫度測量裝置、流量測量裝置、信號變送裝置、數據采集與處理裝置等構成（圖1）。測量裝置中的管路與埋管換熱器地下回路相接，循環水泵驅動流體在回路中循環流動，流體經過加熱器加熱后流經地下回路與地下巖土進行換熱。

表1 試驗孔的相關情況Tab.1 Relevant information of the test boreholes

圖1 試驗測試裝置示意圖Fig.1 The testing device diagram

測量裝置中的管路與埋管換熱器，在地埋管內注滿循環水，保持電加熱器處于關閉狀態，開啟循環水泵，使地埋管的進出口水溫達到穩定。此時，地埋管的進出口水溫的平均值即為大地初始溫度。啟動相應功率的電加熱器并保持功率恒定，持續加熱直到地埋管進出口溫度基本穩定，并穩定一段時間。測試結束后先關閉電加熱器，再關閉循環水泵。

1.3 數據處理方法

共直流母線分布式系統具有穩定性更高,容量更大,為分布式發電提供了很好的模式,有很好的發展前景。因此其控制方法[2-3]、能量管理策略[4-5]等正成為研究熱點。

根據文獻[8-9]介紹的方法，采用線熱源模型處理試驗數據。U型管內流體平均溫度與測試時間變化關系式可表示為

流體與U型管壁的對流換熱熱阻：

U型管的導熱熱阻：

U型管外壁與鉆孔壁之間的導熱熱阻：

流體與型管壁間的對流換熱系數為：

式中：Tf—地埋管進出口平均水溫，℃；Q—加熱功率，W；λ—土壤的導熱系數，W/(m·℃)；H—鉆孔深度，m； α—土壤的熱擴散率，(m2/s)；rb為鉆孔的半徑，m；γ為歐拉常數，取0.577 2；Rb—U型管內流體與鉆孔壁間的總傳熱熱阻，(K?m)/W；λp、λb分別為U型管和回填料的導熱系數，W/(m?K)；λl流體的導熱系數，W/(m?K)；T0—土壤初始溫度，℃；di、d0分別為型管的內、外徑，m；n是鉆孔內型管的管數，對于單U型管n=2，對于雙U型管n=4。

其中：

由式（8）可得巖土導熱系數和容積比熱容的計算式：

2 試驗結果分析

2.1 土壤初始溫度測試

考慮到鉆孔以及回填等過程對土壤初始溫度的擾動作用，本次試驗中在土壤初始溫度完全恢復后才開始進行相關試驗工作。下管并回填完畢后，讓埋管內的水靜止48 h后，開啟循環水泵，待地埋管進出口溫度逐漸趨于穩定，并記錄地埋管的進、出口溫度，取其兩者平均后的溫度為地層原始溫度。本次試驗測得的土壤初始溫度為17.2℃，如圖2。

圖2 孔1#土壤初始溫度變化曲線Fig.2 Soil initial temperature of well 1#

2.2 加熱功率對巖土熱物性參數的影響

分別以表1的加熱功率對邢臺地區的測試孔進行熱響應試驗，由于測式初期不穩定，舍棄前6個小時測得的數據，利用加熱6 h后的測試數據對兩個恒定功率進出口水平均溫度與時間進行對數擬合，圖3為流體平均溫度在這兩個工況下與時間的對數關系曲線。現場熱響應試驗熱物性參數結果見表2。

現場熱響應試驗結果對比顯示，較大功率計算出的巖土熱物性參數越大。這與Witte[10]在建立地下水滲流條件下進行熱響應測試，得出在地下無滲流水時，不同功率有地下水滲流條件時，隨著加熱功率的增大，得出的巖土熱物性參數也逐漸增大。根據邢臺地礦局提供的資料，該地區含水率在14.2%～36.9%范圍內，地下水流速一般為1.0～1.3 cm/d。對比分析可得出在有地下水滲流地區宜采用不同的功率進行測試，取不同功率測試出的參數平均值作為該地區的巖土熱物性參數結果，以減小地下水滲流帶來的影響。

2.3 不同功率測試時長對巖土熱物性參數的影響

以8 h為間隔選擇不同的測量時間對現場熱響應試驗得出的試驗結果進行數值擬合，根據公式（9）計算出導熱系數和熱擴散系數，其結果如圖4所示。當加熱功率為3 kW時，在開始的48 h內，導熱系數和熱擴散系數呈現遞減的趨勢，且遞減趨勢明顯，在48 h之后巖土熱物性參數逐漸趨于穩定。當加熱功率為4.5 kW時，在開始的32 h內，巖土熱物性參數遞減趨勢明顯，之后，巖土熱物性參數趨于穩定。由此可見，加熱功率越大，使現場熱響應試驗達到穩定時間越短。因此建議現場熱響應試驗的測試時間控制在48～64 h范圍為宜。

表2 孔1#的現場熱響應試驗結果Tab.2 In-situ thermal response of well 1#

圖3 孔1#流體平均溫度與時間的對數關系曲線Fig.3 Curves of fuild average temperature to logarithmic time of well 1#

圖4 孔1#加熱時長對熱物性參數的影響Fig.4 Influence of heating length on thermophysical parameters of well 1#

圖5 孔1#熱擴散系數隨土壤初始溫度變化Fig.5 Influence of initial temperature to thermal diffusion coefficient of well 1#

2.4 土壤初始溫度對巖土熱物性參數的影響

本文采用線熱源模型處理試驗數據，由式（9）可知，導熱系數與土壤初始溫度取值無關。當土壤初始溫度測量出現誤差時，導熱系數數值不變，熱擴散系數會發生相應的改變。對孔1#進行誤差分析，其土壤初始溫度為17.2℃，3 kW計算出的導熱系數為1.94 W/(m·K)，4.5 kW計算出的導熱系數為2.5 W/(m·K)，其他參數不變，分別令土壤初始溫度為16.8℃、17℃、17.2℃、17.4℃、17.6℃。運用公式（9）計算出兩個功率下熱擴散系數與土壤初始溫度關系曲線如圖5。

由圖5可以看出，熱擴散系數隨著土壤初始溫度的升高而減小。通過公式（9）計算可以看出土壤初始溫度發生0.2℃偏差時，則會對熱擴散系數產生20%的影響。因此，利用線熱源模型計算巖土熱擴散系數時，需要準確測量土壤初始溫度。

3 結論

1）在現場熱響應試驗中，同一測試孔在不同加熱功率數據結果對比中，較大功率得出的巖土熱物性參數值較高，這主要是由于地下水滲流的緣故，對于地下有流動水的地區，適合采用不同加熱功率測試，取其平均值作為最終的巖土熱物性參數。

2）熱擴散系數隨著土壤初始溫度測量值的升高而減小，且計算出土壤初始溫度每偏差0.2℃，熱擴散系數會發生20%偏差。

3）現場熱響應試驗測試起始階段，巖土熱物性參數隨測試時間的增長呈現減少的趨勢，較大加熱功率減小的更為明顯。且加熱功率越大，巖土熱物性參數達到穩定的時間越短。

[1]韓 芳.我國可再生能源發展現狀和前景展望[J].可再生能源，2010，28(4)：137-140.

[2]刁乃仁，方肇洪.埋管式地源熱泵技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]KAVANAUGH S P. Field tests for ground thermal properties-methods and impact on ground-source heat pump design[J]. ASHRAE Transactions，2000，106(1)：851-855.

[4]于明志，方肇洪.現場測量深層巖土熱物性方法[J].工程熱物理學報，2002，23(3)：354-356.

[5]王書中，由世俊，張光平.熱響應測試在土壤熱交換器設計中的應用[J].太陽能學報，2007，28(4)：405-410.

[6]鄭 強，晉 華，劉 虎，等.孔隙率與含水率對砂質土樣導熱系數的影響[J].水電能源科學，2015，33(12)：125-128.

[7]劉 虎，晉 華，邢述彥，等.地下水滲流對地埋管換熱器周圍溫度場的影響[J].水電能源科學，2012，30(12)：117-119.

[8]KATSURA T，NAGANO K，TAKEDA S，et al. Development of a design and performance prediction tool for the ground source heat pump system[J]. Apply Thermal Engineering，2006(26)：1578-1592.

[9]BOTH P，GEORGIEV A，BUSSO A，et al. First in situ determination of ground and borehole thermal properties in Latin America[J]. Renewable Energy，2004，29(12)：1947-1963.

[10]WITTE H J L，VAN GELDER A J. Geothermal response tests using controlled multi power level heating and cooling pulses∶ quantifying groundwater effects on heat transport around a borehole heat exchange[C]//Proc. the Tenth International Conference on Thermal Energy Storage.New Jersey：Pomona NJ，2006：37-46.

（責任編輯 王利君）

Analysis of infiuence factors for in-situ thermophysical parameters of rock and soil

SHI Kaibo，WANG Jinggang，BAO Lingling，HOU Songbao，CAO Hui
(College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Hebei Handan, 056038, China)

Based on the thermal response tests of 3-day and 2-day in a test well in Xingtai, the effects of heating power, testing time and initial soil temperature on the thermophysical parameters of rock and soil were studied. The results show that under the same test area, different heating powers have different results. The measured thermophysical parameters of rock and soil are relatively stable when test time vary from 48 to 64 hours. The higher the initial soil temperature is, the smaller thermal diffusion coefficient of rock and soil is.

thermal respond test；heating power；testing time；initial soil temperature

TU831

A

1673-9469（2017）02-0066-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.013

2016-12-30 特約專稿

河北省自然科學基金資助項目（E2015402139）；河北省教育廳科學技術處資助項目（QN2014064）

石凱波（1990-），男，河北邯鄲人，碩士，從事地源熱泵理論技術方面的研究。