泗河沖洪積扇松散巖土體地溫場自恢復能力研究

胡波，黎逢良，譚秀全

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100)

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泗河沖洪積扇松散巖土體地溫場自恢復能力研究

胡波，黎逢良，譚秀全

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100)

泗河沖洪積扇區域分布厚層松散巖土體，淺層地溫能開發利用潛力巨大，查明地溫場的溫度自恢復能力并分析其影響因素，對地源熱泵工程換熱器的設計具有重要參考價值。筆者開展了多組現場熱響應試驗，并采用高精度測溫線纜，長期監測地埋管換熱器周邊不同巖性、不同深度巖土體溫度變化情況，以查明其變化規律。研究表明：在同種工況下，砂性土的溫度恢復能力要遠強于粘性土，地溫的恢復主要發生在負荷停止的初期。研究區粘性土溫度自恢復能力差，巖土體熱物性參數、地下水徑流條件、埋管循環水溫度、氣溫及變溫帶深度是影響地溫場恢復能力的因素。

松散巖土體；地源熱泵；地溫恢復；泗河沖洪積扇

泗河沖洪積扇松散巖土體厚度大，砂層富水性好，地下換熱器施工條件優越，地源熱泵技術因其高效、節能、環保，在區內逐步得到廣泛應用，但也存在地源熱泵場地勘查評價工作不規范，熱泵系統運行監測體系不完善等問題[1]。研究區內冬季連續供暖時間約120d，夏季連續制冷時間不足90d，冷熱負荷不均衡。若地下換熱器設計間距、數量不合理，一個供暖制冷周期后，巖土體的溫度會呈單向變化，不能恢復至初始地溫，進而傳熱趨勢衰減，換熱能力降低，導致熱泵機組耗能增加。巖土體作為地熱能的主要賦存體，其溫度場特征影響熱泵機組的功耗和系統性能指標。遵循地溫變化規律，提高地溫自恢復能力，對降低熱泵機組能耗，保障工作效率具有重要意義[2-4]。該文通過研究區內多組熱響應試驗及地溫監測成果，總結了在冷(熱)負荷影響下，不同深度巖土體的溫度變化規律，著重分析了松散巖土體地溫場自恢復能力及其影響因素。

1 研究區概況

1.1 自然地理

泗河為濟寧市東部最大的一條河流，發源于蒙山腹地新泰南部太平頂西麓，西南流入泗水縣境后改向西行，至曲阜市和兗州市邊境復折西南，在濟寧市東南魯橋鎮注入南陽湖，境內全長136km。泗河沖洪積扇東起曲阜山前，西至濟寧湖區，北界在大安—顏店—二十里鋪一帶，南界在小雪—太平橋一帶，面積1093.77km2，東鄰曲阜斷塊和楊柳—戈山丘陵區，南、北、西分別與鄒西沖洪積平原、汶河沖洪積扇、湖西沖積平原接壤。區內地貌形態由泗河多次泛濫改道沉積形成，地面標高一般在34～60m之間，整體地勢東高西低，北高南低，微向西南傾斜。

1.2 巖土體物理特征

研究區松散巖土體厚度一般大于120m，沉積厚度總體上由北東向南西逐漸增厚，顆粒由粗變細[4]。全新統、上更新統沉積顆粒較細，含水砂層連續性差；中、下更新統沉積顆粒較粗，砂層發育，透水性強。巖土體主要巖性為沖洪積相的可塑—硬塑狀態的粘性土及松散—密實狀態的砂土，巖性變化復雜，砂層分布不均[5]。粘性土孔隙率及含水率高，滲透性微弱，砂土透水性較好(圖1、表1)。

圖1 泗河沖洪積扇平面位置圖

巖性粘性土砂土密度(g/cm3)1.70～2.141.90～2.05孔隙率(%)35.4～49.933.9～41.6含水率(%)17.5～33.818.0～25.0滲透系數(cm/s)1×10-7～1×10-61×10-3～1×10-2

1.3 地源熱泵系統應用情況

研究區開發利用淺層地溫能處于快速發展階段，并以地埋管地源熱泵方式為淺層地溫能開發利用的主要方式，地下水地源熱泵利用案例較少。大部分地源熱泵系統利用在公共建筑上，僅間歇性的運行，既不全天運行，全年的實際運行時間也各有差異，且均沒有長期的地溫監測數據及相關的地溫監測設備。地埋管換熱器的施工深度一般為100m，埋管間距在4～5m，換熱層位均為松散巖土體。

2 試驗測試及數據處理

2.1 測試方法

目前現場熱響應實驗是獲取地下巖土體熱理參數的有效技術方法，該次試驗孔位于研究區兗州—濟寧一帶，孔徑180mm，孔深80～120m，下入PEΦ32雙U管及單根測溫管，孔內回填中細砂。試驗采用由天津地熱勘查開發設計院生產的FTPT1-1型地層熱響應測試儀，該試驗儀可進行最高12kw排熱測試，并實時獲取地埋管換熱器的進出水口溫度，數據采集頻率1次/分鐘。主要測試手段包括無負荷循環測試，6kw恒功率熱負荷測試，7℃恒溫度冷負荷測試，地溫恢復觀測(圖2)。采用總線式測溫線纜及TD-016C高精度溫度采集儀，監測不同深度地溫變化情況，數據采集頻率1次/小時。測溫線纜中按一定間距設置了WD-016A型傳感器(精度0.1～0.2℃),采集數據以GPRS方式傳輸至云平臺，供后期分析處理。

圖2 試驗裝置示意圖

2.2 巖土體熱物性及熱響應特征

測試孔位于120m深度以淺，廣泛分布第四系松散巖類。上部砂土巖性以粉砂、細砂為主；下部砂土巖性以中、粗、礫砂為主。上部粘性土多為棕褐、黃褐色，可塑—硬塑，略具膨脹性，下部粘性土多為棕褐色、藍灰色，硬塑—堅硬。

熱響應試驗采用恒定熱流法，實驗數據的處理主要基于線熱源模型，試驗時只需要記錄地埋管進出口水溫值、管內流量、時間3組數據，并擬合出線性方程，即可利用方程的斜率、截距，求得實際條件下巖土體的熱導率、熱擴散系數等參數[6-14]。通過熱響應試驗測試成果和土樣室內熱物理測試數據對比分析可知：自然條件下受地下水徑流影響，熱量加速擴散，野外熱響應試驗測得的熱擴散率高于室內測試結果(表2)。

表2 研究區松散巖土體熱理指標

3 巖土體溫度動態變化規律

3.1 恒功率排熱模式下的地溫動態變化規律

在JD3孔6kw制熱模式下，開始制熱的15h內，不同深度巖土體溫度迅速上升約8℃，后趨于平穩，制熱歷時57h；停止制熱后保持水泵的運作，巖土體溫度下降8℃，耗時約30h，后地溫緩慢恢復，經觀測622h后，115m深地溫方能完全恢復至初始狀態。在制熱階段的后程及無功循環階段，巖土體溫度隨氣溫波動變化明顯，水泵停止工作后，氣溫變化對深部巖土體溫度影響甚微(圖3、表3、表4)。

在JD9孔6kw制熱模式下，開始制熱的6h內，不同深度巖土體溫度迅速上升約8℃，后上升速率減緩，制熱歷時48h；停泵后20h地溫迅速降低，而后漸緩，經觀測408h后，80m深處巖土體溫度方能完全恢復至初始狀態；無功循環階段埋管內循環水擾亂了初始地溫場，使不同深度巖體溫度趨于統一；受氣溫影響，5m深巖土體溫度初期恢復較快，后期反而較其他深度慢(表5、表6、圖4)[6-9]。

圖3 JD3孔不同深度地溫變化曲線(埋管深120m)

層號埋深(m)巖性層號埋深(m)巖性層號埋深(m)巖性10.0～6.0粉質粘土944.8～56.8粘土1783.5～91.5粘土26.0～12.0中細砂1056.8～60.0中細砂1891.5～95.0中細砂312.0～20.0粘土1160.0～66.0粘土1995.0～101.0粘土420.0～22.0中細砂1266.0～69.7中細砂20101.0～104.9中粗砂522.0～31.9粉質粘土1369.7～72.4粉質粘土21104.9～109.4粘土631.9～37.0中細砂1472.4～79.0中細砂22109.4～111.0中粗砂737.0～39.5粉質粘土1579.0～79.8粉質粘土23111.0～116.9粘土839.5～44.8中細砂1679.8～83.5中細砂24116.9～120.0中細砂

表4 JD3孔不同深度巖土體溫度恢復時間

表5 JD9孔地層結構

表6 JD9孔不同深度巖土體溫度恢復時間

3.2 排冷熱模式下的地溫動態變化規律

在JD7孔排冷模式下，在開始排冷的15h內，不同深度巖土體溫度迅速下降了約5℃，由于循環水溫度為恒7℃，制冷后半程地溫變化緩慢，總歷時53h；停泵后20h地溫迅速回升，而后漸緩，經觀測223h后，100m深處巖土體溫度方能完全恢復至初始狀態(圖5、表7、表8)。

圖5 JD7孔不同深度地溫變化曲線(埋管深120m)

層號埋深(m)巖性層號埋深(m)巖性層號埋深(m)巖性10.0～3.5素填土538.5～41.4中粗砂978.8～83.0中粗砂23.5～24.8粉質粘土641.4～49.4粉質粘土1083.0～104.2粉質粘土324.8～32.6中粗砂749.4～71.5中粗砂11104.2～106.8粗礫砂432.6～38.5粘土871.5～78.8粉質粘土12106.8～120.0粉質粘土

表8 JD7孔不同深度巖土體溫度恢復時間

4 試驗結果分析

(1)試驗后粘性土地層溫度恢復緩慢，在自然條件下需要數百個小時方能恢復其初始溫度，與其成分及熱物理特性有重要關系[6-9]。粘性土主要由鋁、鎂硅酸鹽礦物組成，該類礦物易吸水，顆粒極細(<0.005mm)，具塑性，多呈絮狀結構，團狀構造。上述因素造就了粘性土高孔隙率，高含水率的特征，其孔隙率及含水率遠高于基巖，由于水的比熱容要遠大于礦物固體骨架的比熱容，天然狀態下的粘性土比熱容要高于基巖，熱擴散性能低于基巖，即熱量在粘性土內部傳遞的更慢一些，因此在吸收同樣熱量的前提下，松散的巖土體需要更長的時間來恢復到初始地溫。

(2)在同種工況下，砂性土的溫度恢復能力要遠強于粘性土，因為砂性土主要成分為長石及石英，顆粒粒度大，孔隙直徑大，滲透性強(比粘性土高出約4個數量級)，更利于地下水的徑流，而地下水徑流帶走了土體中的熱量，加速了砂土溫度的恢復。

(3)地埋管中的循環水會將熱量從埋管周圍溫度高的巖土體傳遞至低處，使試驗孔不同深度巖土體溫度趨于統一，在地溫分層監測曲線中體現為多點地溫曲線由分散到緊束。

(4)氣溫對5m以淺的巖土體溫度影響較大，對10m以下深部巖土體溫度影響輕微，表現在淺部巖土體溫度與氣溫相差大時，會以較快的速度恢復至氣溫值附近，而后受晝夜交替影響，呈波動上升或下降，而深部巖土體溫度不隨晝夜的交替波動。在無功循環階段，儀水箱內的循環水溫度受環境影響變化與地溫產生溫差，循環水流經不同埋管深度釋放熱量，使得不同深度巖土體溫度均會隨晝夜交替而輕微波動[15-16]。

(5)雖然地溫恢復時間愈長，愈接近巖土體初始溫度，但到達一定程度后，溫差值變化不大，說明地溫的恢復主要發生在負荷停止的初期，而后期的恢復速率很慢。因為在地溫恢復初期，巖土體溫度與周邊巖土體溫差大，單位時間換熱量大，溫度變化也非常迅速，隨著恢復過程的延續，上述溫差逐漸減小，換熱量也減小，溫度變化趨于平緩。

5 工程實例分析

研究區中部某小型辦公樓建于2016年，高2層，建筑面積約1000m2，采用地埋管地源熱泵系統供暖，埋管管材為DN32型PE100單U管，數量26根，埋管間距4.5m，埋管深度100m。在其中一根埋管壁外置入了100m2長的地溫監測線纜，用于監測地溫變化情況。該辦公樓內熱泵機組處于供暖模式間歇運行13d，每天供暖約9h，測得監測孔不同深度地溫變化曲線(圖6)。經過熱泵機組13d的運行，監測孔周邊地溫并未持續下降。供暖周期的前幾日，室內溫度較低，熱泵機組以較高負荷運行，埋管與土體換熱量較大，地溫降幅也大；因建筑本身節能保溫效果較好，隨著供暖的持續，熱泵機組的運行負荷也逐漸降低，埋管與土體的換熱量減小，地溫降幅趨于穩定[17]。單日情況下，在熱泵機組運行供暖的9h期間，地溫驟降；供暖結束后，地溫能在15h內迅速恢復至距初始地溫約0.5℃，能夠保證下一個供暖日熱泵機組正常運行。

圖6 工程監測孔不同深度地溫變化曲線

6 結論

(1)研究區粘性土比熱容高，熱擴散性能差，溫度恢復能力差。巖土體熱物性對溫度恢復有明顯的影響，顆粒粒度大、孔隙直徑大、滲透性強的砂性土溫度恢復能力遠高于粘性土。地下水徑流條件、埋管循環水溫度、氣溫及變溫帶深度也影響著地溫場的恢復。

(2)按實際需求分階段間歇運行熱泵，能夠使巖土體溫度在短時間內恢復至接近初始地溫，提高熱泵的工作效率，降低能耗。

(3)為消除(減緩)埋管區域巖土體熱(冷)堆積，可在制冷(供暖)期結束后保持埋管內的水循環一段時間，加速巖土體深部與變溫帶的熱量交換，在一定程度上平衡熱(冷)堆積。

(4)改善地下水徑流條件，可加速巖土體溫度的恢復，可鼓勵開展地埋管-地下水結合式熱泵系統的研究與應用。

(5)試驗均為單孔測試，缺乏對群孔溫度干涉影響的觀測分析，須進一步加強對大型工程熱泵開發利用過程中的地質環境監測工作。

[1] 尚妍,李素芬,代蘭花.地源熱泵間歇運行地溫變化特性及恢復特性研究[J].大連理工大學學報,2012,52(3):350-356.

[2] 遲玉霞,王景剛,鮑玲玲.復合地源熱泵間歇運行時地溫恢復特性的研究[J].建筑熱能通風空調,2007,26(5):52-54.[3] 吳春玲,惠超微,王雯翡,等.地源熱泵間歇運行方式對地溫恢復和機組能效的影響研究[J].制冷與空調，2014,28(4):412-413.[4] 薛迪迪.巖土體分層結構對單U管換熱器周圍溫度場恢復的影響研究[D].太原：太原理工大學,2015.

[5] 張志鵬,馬宏權,夏振云,等.巖土熱響應測試在地埋管換熱器設計中的應用A//地溫資源與地源熱泵技術應用論文集(第四集)[C],2011.

[6] 趙利君,周亞素,張行洋,等.地源熱泵地埋管周圍土壤溫度恢復的模擬[J].建筑節能,2010,(10):34-38.

[7] 高青,喬廣,于鳴.地溫規律及其可恢復性增強傳熱研究[J].制冷學報,2003(3):38-41.

[8]. 宋光前,許新華，吳丹.復合式地源熱泵系統及運行控制模擬及分析[J].制冷與空調,2013,27(3):280-283.

[9] 馬宏權,龍惟定.地埋管地源熱泵系統的熱平衡[J].暖通空調,2009,39(1):102-106.

[10] 徐偉,郎四維.地源熱泵工程技術指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2001

[11] DZ/T0225-2009.淺層地熱能勘查評價規范[S].

[12] 衛萬順，鄭桂森，冉偉彥，等．北京淺層地溫能資源[M]．北京：中國大地出版社，2008．

[13] 周亞醒.魯西地區淺層地溫能地熱地質條件與開發利用適宜性評價[J].山東國土資源,2015,31(8):45-49.

[14] 史啟朋.汶泗河沖洪積扇松散層現場熱響應試驗數據分析及應用-以兗州市南郊試驗場為例[J].山東國土資源,2014,30(2):59-61.

[15] 張磊,錢華，鄭曉紅,等.地源熱泵系統長期運行模式對地溫場影響[J].建筑熱能通風空調,2012,31(5):1-4.

[16] 陳進.混合式地源熱泵系統間歇運行研究[D].武漢：華中科技大學,2012.

[17] 羅仲,張旭.小型土壤源熱泵冬季間歇運行的地溫恢復特性實驗研究[J].制冷技術,2015,35(4):280-283.

Study on Geothermal Field Recovery Ability of Soil in Alluvial-proluvial Fan in Sihe River

HU Bo, LI Fengliang, TAN Xiuquan

(Lunan Geo-Engineering Exploration Institute，Shandong Jining 272000，China)

The rock and soil mass with great thickness distributed in the alluvial-proluvial fan in Sihe River. Shallow geothermal energy has enormous exploitation and utilization potentiality. Finding out the temperature self-recovery capacity of the rock and soil mass and analyzing the influencing factors will provide important reference for engineering design of ground-source heat pumps. Many groups of thermal response tests have been carried out. By adopting high-precision temperature measuring cables, changes in the temperature of the rock and soil mass with different lithologies and different depths around the ground heat exchanger have been monitored in a long period. It is showed that the temperature recovery ability of sandy soil is much stronger than that of cohesive soil under the same conditions, and the recovery of soil temperature mainly occurs at the early stage of load stopping. The cohesive soil in the study area has bad temperature self-recovery capacity, main factors that influence the geothermal field self-recovery include thermophysical parametersof the rock and soil, runoff conditions of underground water, buried pipe circulating water temperature, air temperature and the depth of temperature changing zones.

Loose rock mass; ground-source heat pump;geothermal fieldself-recovery; Alluvial-proluvial fan in Sihe River

2016-12-27；

2017-02-09；編輯：曹麗麗 基金項目：山東省國土資源廳，濟寧市淺層地溫能調查評價，魯國土科字(2015)002號 作者簡介：胡波(1986—)，男，山東濟寧人，工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail：foxuan@163.com

胡波，黎逢良，譚秀全.泗河沖洪積扇松散巖土體地溫場自恢復能力研究[J].山東國土資源，2017,33(7)：55-60. HU Bo, LI Fengliang, TAN Xiuquan.Study on Geothermal Field Recovery Ability of Soil in Alluvial-proluvial Fan in Sihe River[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：55-60.

P619.241

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