長沙市某區淺層地埋管巖土體熱響應試驗性能研究

韋啟珍，周星志，陳賀偉

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引言

長沙地處夏熱冬冷地區，濕度大，隨著當地經濟發展和生活水平提高，人們對體感舒適度要求越來越高，對冷暖需求增加，這要求城區清潔能源開發需充分利用有限空間，如綠化帶、地下室以及建筑間距等空間發展地埋管地源熱泵技術。而地源熱泵系統一般占初投資的1/2～1/3，為降低風險成本，當應用建筑面積5 000 m2以上時[1]，需要進行巖土熱響應試驗，獲取關鍵巖土體導熱系數，為科學合理地設計地埋管提供重要參數[2]。長沙作為省會城市，高新技術發展重心傾向河西區，受地質構造影響，地層結構較復雜，地層巖性和地下水條件橫向差異較大，不同場地熱物性參數相差也大。為了準確確定垂直雙U埋管熱泵系統所要求的深度與數量，獲得導熱系數和每延米換熱量等熱物理量和換熱效果，開展本地區熱響應試驗研究，如圖1所示，為實施能源低碳高效利用進行相關探索。但本次研究工作，未考慮在大量鉆孔換熱過程中存在熱干擾和長時間持續運行下取得最大值，在使用或參考時，應結合實際情況酌情折減每延米換熱量。

圖1 熱響應試驗測試點分布示意圖

1 工程地質條件

研究區區域構造主要為榮灣鎮—沙泥斷層，該斷層全長23 km，斷裂沿線發育有30～50 m擠壓破碎帶，見有硅化、片理化及構造透鏡體，斷面呈波狀彎曲，向南東傾斜，傾角45°～50°。

經過前期研究區內鉆探和綜合調繪工作，揭示地層主要有素填土層、植物層、第四系新近沖積層、第四系沖積層及殘積層，下伏元古界砂巖、板巖，主要礦物成分以黏土礦物、石英及云母為主，變余結構，板狀構造，具有失水易干裂、浸水易軟化特性，區內縱向地層數量多，地質條件復雜，場內已實施4個鉆孔地層結構，見表1所列。研究區內地下水類型為上層滯水，賦存于素填土、植物層，含水性一般，為中等透水性地層，其他各地層含水性弱,屬弱透水性地層，主要接受大氣降水及生活用水補給，靠側向徑流及蒸發排泄，水位隨季節變化。

表1 各鉆孔地層結構 m

2 測試原理及方法

地埋換熱器熱響應測試，最早由MOGENSEN于1983年提出。但目前普遍流行的是假設鉆孔周圍巖土均勻，地埋管與周圍巖土換熱認為是鉆孔中心一根線熱源與周圍巖土進行換熱，沿長度方向傳熱量忽略不計，埋管與周圍巖土的換熱強度維持不變的前提下，采用國內外通用的線熱源模型。

地埋管換熱器與周圍巖土的換熱可分為鉆孔內傳熱過程和鉆孔外傳熱過程。相比鉆孔外，鉆孔內的幾何尺寸和熱容量均很小，可以很快達到溫度變化相對比較平穩的階段，因此埋管與鉆孔內的換熱過程可近似為穩態換熱過程。埋管中循環水溫度沿流程不斷變化，循環水平均溫度可認為是埋管出入口水溫的平均值。鉆孔外可視為無限大空間，地下巖土初始溫度均勻，其傳熱過程可認為是線熱源或柱熱源在無限大介質中的非穩態傳熱過程。在額定加熱功率條件下，采用國際地源熱泵協會推薦的線源模型，計算換熱器進出水平均溫度，其表達式如式(1)所示[3]。

式中：Tf(rb,t)代表井壁rb處隨時間變化的地埋管換熱器進出水平均溫度，℃；ql代表單位延米地埋管換熱器換熱功率，W/m；λ代表巖土體平均導熱系數，W/(m·K)；α代表巖土體平均熱擴散系數，m2/s；t代表時間，s；rb代表鉆孔半徑，m；γ代表常數，0.577 2；Rb代表鉆孔內熱阻，(m·K) /W；T0代表巖土初始平均溫度，℃。

根據式(1)，可推導出利用穩定熱流測試數據計算巖土體導熱系數，如式(2)～式(4)所示。

式中：m代表對曲線擬合后在y軸上截距，℃。

試驗采用具有精度高、運行穩定的測試儀器進行。測試時，功率設定范圍2～6 kW，流量0～2 m3/h，溫度0～100℃，采用恒功率(加熱)測試，記錄時間間隔1 min。通過測試儀中管路與地熱換熱器(PE管)地下回路相接，循環泵驅動循環液在回路中循環流動，循環液經過恒功率加熱器加熱后流經地下回路與地下巖土進行充分換熱，連續運行48 h，測試原理如圖2所示，所采用鉆孔尺寸與回填材料參數見表2所列。測量得到進出口循環液溫度、流量、加熱功率等經信號變送傳至數據記錄儀，供后臺進行數據處理[4]。

表2 測試鉆孔參數表

圖2 測試示意圖

3 測試分析研究

3.1 初始地溫測試

本次研究采用傳感器法和水溫平衡法測試巖土初始平均溫度：①傳感器法(無負荷循環法)測地層溫度是測試孔安裝完成后，先在PE管內充滿水，然后對鉆孔進行回填，不向地埋管換熱器內循環水加載冷、熱量，經過48 h后，PE管內的水與巖土體溫度達到平衡，此時通過在PE管內下入傳感器，每間隔5 m測試孔內不同深度溫度；②地埋管水溫平衡法是測試孔安裝完成后在PE管內充滿水靜置48 h，PE管內的水與巖土體的溫度達到平衡，通過水泵循環將管內的水泵出，同時監測水溫的變化，通過管內水的溫度分析巖土體溫度。當進出口溫度保持穩定不變或變化范圍在傳感器精度之內，取其平均值作為巖土體初始溫度。

通過測試各孔不同深度溫度，形成了圖3、圖4各鉆孔溫度剖面及巖土平均溫度折線圖，以測試地面為相對±0.0 m，測試期間考慮外部因素影響，從圖形上看：ZK1～ZK4從地表以下至深度5～35 m 范圍溫度出現幅度較大波動，主要受太陽輻射及氣候變化影響；5～50 m溫度較為穩定，為恒溫帶，縱向深度變化較大，主要受地形高差及巖層變化影響；其下為增溫帶，增溫帶地溫穩定上升，從18.3℃上升至19.7℃不等，增溫段平均溫度為18.5～19.5℃，全井段地溫梯度每100 m約為0.83～2.17℃。從各鉆孔實測地測數據總體來看，呈現一定規律性，上部恒溫層厚度受覆蓋層影響較小，主要受地下水位及基巖面影響較大，隨著地下水位埋深增加，恒溫層厚度也隨之增大；在地下水位同條件下，恒溫層厚度幾乎不變。而地溫增溫率ZK1與ZK4接近、ZK2與ZK3接近，但兩者相差較大，除直接受地下水位影響外，兩者差異較大的次影響因素為強風化層風化界面厚度差別大、礦物成份有差異。

圖3 點測溫法測試鉆孔溫度剖面圖

圖4 巖土平均溫度測試

為進一步確定初始地溫，對鉆孔埋管進行水泵循環，將管內水泵出，進行初始平均地溫的測定。ZK1進出口水溫在1 h內保持穩定，測試進出口溫度基本穩定在19.4℃；ZK2進出口溫度基本穩定在19.2℃；ZK3進出口溫度基本穩定在18.5℃；ZK4進出口溫度基本穩定在19.6℃。通過這2種方式對比，2次初始地溫差值除ZK2外，均不超過1℃，初始地溫相對比較符合長沙城區地溫總體規律，盡管2種測試方法均有效，但從過程控制、測試便捷性及研究方法上，本次采用傳感器法(無負荷循環法)。

3.2 熱響應測試

利用測試設備向地埋管換熱器提供恒定熱流，穩定輸入功率為5～6 kW[5]，對不同鉆孔進行流量控制，流量變化段在0.85～0.9 m3/h和1.55～1.80 m3/h，通過監測地埋管換熱器進、出水溫度變化和記錄流量數據，雙比不同鉆孔測試數據，分析評價巖土體平均(綜合)導熱系數。

根據線熱源理論，將熱響應測試地埋管換熱器進出水平均溫度數據做成對數曲線圖，并通過曲線擬合結果計算系數k和巖土體導熱系數λ。

通過圖5、圖6分析計算，ZK1曲線斜率k系數2.64；換熱器平均換熱功率ql=6.46 kW，巖土體導熱系數λ為1.95 W/(m·K)，鉆孔熱阻為0.20(m·K)/W。ZK2曲線斜率k系數2.73；換熱器平均換熱功率ql=6.51 kW，巖土體導熱系數λ為1.90W/(m·K)，鉆孔熱阻為0.20 (m·K)/W。ZK3曲線斜率k系數2.28；換熱器平均換熱功率ql=5.10 kW，巖土體導熱系數λ為1.78W/(m·K)，鉆孔熱阻為0.23 (m·K)/W。ZK4曲線斜率k系數1.79；換熱器平均換熱功率ql=5.21 kW，巖土體導熱系數λ為1.86 W/(m·K)，鉆孔熱阻為0.18(m·K)/W，詳細計算結果見表3所列。

表3 測試計算結果表

圖5 測試孔熱響應地埋管循環水進出孔溫度曲線圖

圖6 測試孔熱響應試驗數據擬合處理

圖7 室內熱物性參數測試

測試結果，巖土平均溫度為18～20℃，熱物性值低于2.0 W/(m·K)，說明地下巖土體的換熱性能一般。但根據鉆井情況揭示，上層滯水埋深最大約40 m，這有利于增強換熱和長期換熱性能穩定。

3.3 熱物性測試

對土樣熱物性參數測試采用線熱源模型，在額定加熱功率的條件下，當探針外傳熱可視為以探針壁為柱面熱源的無限大介質中的非穩態熱傳導時，其傳熱控制方程、初始條件和邊界條件分別為：

式(5)～式(8)中：db代表探針直徑，m；cs代表探針周圍巖土體的平均比熱容，J/(kg·℃)；T代表孔周圍土體溫度，℃；Tff代表無窮遠處土體溫度，℃；ρs代表巖土體的平均密度，kg/m3；t為時間，s。

對巖芯的熱物性測試基于瞬態的測試理論，相比穩態的測試方法，可大大降低測試時間。瞬態的測試原理是根據經典物理學拉普拉斯變換，在無限的均勻介質中，與線熱源相距r處的點的溫度隨時間的變化規律為：

式中：ql代表單位時間單位長度熱源提供的熱量；λ代表巖土體平均導熱系數，W/(m·K)。

本次研究采取20組巖土樣品，采用儀器ISOMET2114進行巖土熱物性測試，詳細測試成果見表4所列，得到不同深度巖土材料的導熱系數、體積比熱容、熱擴散系數等參數。結合表1各地層結構分析，上部38.6 m以內，主要是第四系較松散地層，導熱系數一般較小，下伏基巖較完整，孔隙被充填，導熱系數有明顯提高，從所取試樣發現，導熱系數基本不變，與熱響應測試成果吻合。

表4 熱物性參數測試成果

4 結論

1)現場熱響應鉆孔揭示了研究區地層基本特征，上部30～50 m主要為雜填土和殘積層，以黏粒為主，10～40 m有少量上層滯水；第四系與基巖交界位置基巖破碎，為褐灰色泥巖，硬度較低，裂隙發育；50～100 m為中風化青灰色粉砂質板巖及細砂巖，硬度較高，裂隙中有石英晶體填充。

2)通過線熱源模型計算，在100 m范圍內巖土體綜合平均導熱系數為1.78～1.95 W/(m·K)，鉆孔熱阻值為0.18～0.23 (m·K)/W，個別熱阻數值異常，主要受地下水與地質條件影響。

3)鉆孔取芯和室內熱物性測試中，覆蓋層土體導熱系數為1.2～1.3 W/(m·K),下部強風化泥巖層更低，為0.9～1.3 W/(m·K)，而中風化砂巖、板巖巖石較致密，導熱系數為2.0～2.5 W/(m·K)，相對穩定。

4)考慮長沙地區的氣候特征，通過換熱計算，夏季每延米換熱量最大可達51～53 W/m ，冬季每延米換熱量最大取值為47～49 W/m 。