不同巖性條件下垂直地埋管熱響應測試對比與分析

吳佃亮 周波 張學斌 聶玉朋 劉自寬 王濤 畢棟威 何召永 魏海紅

摘要：近年來，山東省在魯西北、魯中南及魯東地層區開展了大量的垂直地埋管熱響應測試工作，獲取了大量地埋管換熱器巖土熱物性參數，為開展不同巖性條件下地埋管換熱器換熱特性的對比分析提供了基礎型數據支撐。針對山東省主要地層條件，為全面比較分析不同巖類條件下地埋管換熱器換熱特性方面的差異，本次選取同等深度、孔徑及垂直換熱器型號的沂源縣、聊城市及日照市測試數據進行對比分析。由于當時的現場熱響應測試只對巖土體的初始地溫及導熱系數進行了測試，根據換熱模型得出夏季單孔換熱量，因此，本篇文章對巖土體的導熱系數及夏季換熱量進行對比分析，根據測試數據得出不同巖性熱物性參數差異。根據已有的測試數據，基巖地質對比碎屑、第四系松散巖類，因其所具有的高熱擴散性對地埋管換熱器換熱效果有促進作用。

關鍵詞：地源熱泵；地埋管換熱器；熱響應試驗；熱物性參數

1.引言

地源熱泵具有節能、環保、無污染，節省建筑面積，經濟效益高，使用壽命長等優勢，越來越受到各級政府及市場的重視，巖土體熱物性特征作為地埋管地源熱泵系統設計的基礎性依據，其科學性、準確性及合理性關系到地源熱泵系統的運行效能。因此，科學掌握巖土體的熱物性特征，選取科學合理的參數對地源熱泵工程的建設具有非常重要的意義。巖土體的熱物性特征受氣候條件、地質構造、巖性、水文地質條件等綜合影響，不同巖性條件下表現特征各異。目前，現場熱響應測試作為獲取巖土體熱物性參數及地埋管換熱能力的主要技術手段，山東省近年來在第四系松散巖類區、碳酸鹽巖類區、花崗巖類區開展了較多理論與實驗工作，基于上述背景，本文選取部分數據著重對上述巖類地區的巖土熱物性參數及地埋管換熱能力開展對比與分析，分析主要影響因素，旨在對山東省具有相同巖性地層條件下的地埋管地源熱泵系統設計與優化提供一定的參考。

2.測試孔成孔條件分析

2.1鉆孔地質結構分析

本次選取山東聊城、沂源、日照的3眼垂直地埋管換熱孔熱響應測試數據作為研究對象，將上述鉆孔的編號依次命名為Y1、Y2、Y3，以上3組鉆孔成孔深度120m，孔徑150mm。

Y1測試孔地處山東省西部、地貌類型為黃泛沖積平原，地勢平坦，測試孔深度120m，巖性為第四系松散巖類，以粉土、粉砂、粉質黏土、細砂為主，地層厚度大于120m，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為粉砂、粉細砂，含水層厚度21m，涌水量約500m3/d～1000m3/d。

Y2測試孔地處山東省中南部，沂源縣悅莊鎮西，深度120m，沂源縣的南部，地處地形低洼的溝谷地帶，地勢較低，巖性以砂、泥沙巖、頁巖夾薄層灰巖為主，局部含礫石層，風化裂隙較發育，地下水類型主要為碎屑巖類裂隙水，裂隙含水層，水量很小，單井涌水量<100m3/d。

Y3測試孔地處山東省東南部，日照市經濟開發區奎山街道相家臺村北，深度120m，測試孔西側為黃海，地形為微弱切割強剝蝕丘陵區，地勢較高，巖性主要為不同時期的花崗巖、變質巖等，局部風化裂隙較發育，地下水主要賦存于基巖風化裂隙中，涌水量受區內風化帶厚度影響較大。

2.2鉆孔成孔工藝分析

測試孔的成孔工藝對地埋管換熱能力具有重要影響，測試孔的成孔工藝主要包括測試孔的鉆探、地埋管換熱器的安裝、礫料回填等，根據地層結構地埋管換熱孔的鉆探工藝各不相同。見表1。

3.現場熱響應測試原理

試驗巖土體平均地溫測試采用無功循環法，其原理是在不向地埋管換熱器加載冷、熱量的情況下，使水在地埋管內形成循環，循環時間不少于24h，在循環水的溫度達到穩定時（1h內溫度變化不超過0.3℃，并且穩定時間不少于12h），認為循環水與巖土體達到熱平衡，認定該溫度即為巖土初始平均溫度。

巖土體導熱系數試驗采用穩定熱功率法，其試驗原理是通過設置電加熱器加熱功率的方式（加熱功率設置為6kW）對地埋管內的水體加載熱量，使水體在地埋管內形成循環，時間不少于48h，在循環水溫度達到穩定時（1h內溫度變化不超過0.5℃，并且穩定時間不少于24h），認為此時循環水與巖土體達到熱平衡，利用穩定后的數據計算出巖土體的導熱系數。

4.數據處理與分析

利用測試儀器的數據軟件實時采集地埋管進出口水溫、循環水流量、測試功率、電流、電壓等數據，利用采集數據可計算出不同時刻的進出口水溫溫差、進出口水溫平均溫度、排熱量等數據。

4.1初始地溫數據分析

通過無功循環方法測定測試孔的初始地溫，測試時將地埋管進水出水管路接入設備外接水管，通過設備內的循環水泵，將管內的水在設備水管與地埋管內循環流動，水流循環24h后，通過專用數據分析軟件對地埋管回水溫度進行分析，見表2。

由表2測試數據可知，初始地溫由大到小為Y1、Y3、Y2，其中Y1巖性為第四系松散巖類，導熱能力差，熱儲能力相應好，初始溫度要明顯高于基巖地區。Y2巖性為碎屑巖類相比于Y3基巖類初始溫度略低，主要考慮碎屑巖類地區由于巖石風化裂隙較發育，水流條件好于基巖地區，儲熱能力略差，相應的初始溫度低。

4.2穩定功率測試數據分析

在穩定功率的情況下，通過對循環液加熱，并持續不斷地向測試孔內釋放熱量，測試鉆孔的導熱能力，測試時將地埋管換熱器的進出水口接入測試設備的進出水口，循環液流經設備內的加熱器，提高循環液溫度，通過依據儀器上安裝的數據采集軟件實時采集的地埋管進出口水溫、循環水流量等數據，計算出不同時刻的進出口水溫溫差、進出口水溫平均溫度、排熱量等數據。對數據進行匯總，如表3所示。

以上數據反映Y1測試孔地埋管進回水溫度最高，主要是第四系松散巖類導熱效果與基巖相比較差，熱擴散慢，儲熱好，溫差也相對較小，Y2相較于Y3溫差稍低，主要是碎屑巖類地區巖石風化裂隙較發育，水流條件好于基巖地區，溫差低于基巖地區；Y3地埋管進回水溫度明顯較低，但是其進回水溫差明顯較高，是因為巖石熱擴散性較好，熱交換能力較好。

利用線性傳熱模型，用曲線擬合法，可算出導熱系數λ。

由表4可知，聊城擬合公式中，斜率m =2.1518，截距b=2.5016，結合公式（5），可以計算出聊城測試孔巖土導熱系數為λ1=1.72W/（m·℃），同理，結合表5中沂源和日照的擬合公式，可以得出其巖土導熱系數分別為：沂源λ2=2.23W/（m·℃），日照λ3=2.69W/（m·℃）。

5.結果分析

（1）第四系松散巖類地區，巖性導熱系數相較于基巖地區低，熱擴散能力小，熱阻大，熱交換速度慢，但儲熱條件好，初始地溫高，地埋管回水溫度高，進回水溫差小。

（2）碎屑巖類地區，由于巖石風化裂隙較發育，水流條件好于第四系松散巖類與基巖地區，導熱系數高于第四系松散巖類地區，溫差低于基巖地區。

（3）基巖地區巖石導熱系數較高，熱阻低，具有高熱擴散性，換熱效率較高，換熱速度較快，這對地埋管換熱器的換熱起到積極作用。

（4）測試孔測試達到穩定狀態，換熱效果主要受巖土初始溫度影響，但后期穩定階段，主要影響地埋管換熱器換熱能力的是巖土導熱系數和鉆孔熱阻。巖土導熱系數越大，鉆孔熱阻越小，進出口溫差就越大。

（5）現場熱響應測試條件是一定的，有條件的，本次測試工作是在特定的測試條件下進行的，如果后期改變測試條件，排熱工況下單位孔深換熱量是不相同的，所以設計單位不能簡單地把單位孔深換熱量作為設計依據應用于地下換熱系統設計中。

6.結論

（1）對測試數據進行計算分析，得到聊城（Y1）測試孔巖土導熱系數1.72W/（m·℃），單位孔深換熱量49.1W/m；沂源（Y2）測試孔巖土導熱系數2.23W/（m·℃），單位孔深換熱量53.9W/m；日照（Y3）測試孔巖土導熱系數2.69W/（m·℃），單位孔深換熱量61.8W/m。

（2）基巖地質條件一般具有較高的熱擴散性，導熱系數較高，單孔換熱能能力強，對地埋干換熱器換熱效果有促進作用，適宜在基巖地區建設地源熱泵工程。

（3）地埋管換熱器換熱效果主要受不同巖性的導熱系數（熱導率）影響。

（4）地源熱泵工程的設計與建設應結合建筑物的使用條件進行綜合分析，科學合理選用巖土熱物性參數，確保地源熱泵工程具有高效的運行效果。

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