有关岩土地质结构热物性对地下蓄能影响浅析

张莉

摘 要：地热能是一种新的洁净能源，地热资源的有效利用是解决当今能源耗竭的重要途径和手段。文章通过对孔隙、岩溶裂隙型含水热储层及复合热储层赋存的分析，估算了研究区内各热储温度、地热资源总量、可利用地热资源量和地下热水的热流量，评价分析了总能量热物理性参数及地热流体的质量。

关键词：地热资源；热储层；资源利用

本文对地埋管地源热泵系统主要通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟。开展地下岩土体的传热蓄能研究，模拟试验场根据岩土热物力性质和地下水条件选择两个试验场，分别为A试验场和B试验场。B试验场处于岗地（二级阶地），换热体为岩石，无地下水影响；A试验场处于长江冲积一级阶地上，换热层主要为粘性土和砂层，有地下水。对地下水地源热泵主要通过建立试验场，监测系统运行条件下岩、土、水体温度变化，并对监测数据展开分析研究。监测场选取甘肃某高层住宅地下水源热泵系统。通过上述方式，分析岩、土、水体蓄能传热规律，定量分析岩土体蓄能量及变化，可为地埋管和地下水地源热泵系统的优化设计、运行管理提供参考，达到用好、用足浅层地温能资源的目的。

一、地下蓄能定量评价方法分析

岩土层中蓄积能量通过公式Q=cm△T计算得出，水平方向上在依次分为多个圈层，垂直方向上分为多层，根据各圈、各层处物理、热物理参数，不同时间节点温度变化值，即可估算出每圈层和整个换热孔周边一带范围内的热量蓄积量。以A试验场为例，在主孔中心、半径为0.8m、1.5m、2.0m、2.5m处布置有监测孔，每个监测孔中按10m间隔预先埋置有测温探头，连续7天加热时长期监测了该范围内地层温度变化，即可进行估算。具体计算时，由于表层5m温度变化受气温影响较大，因此计算中将其忽略。将水平方向上每个监测孔温度分别代表影响半径圆环范围内的平均温度，在水平面上将其划分为5个圆环范围，分别为：0-0.4m，0.4-1.15m，1.15-1.75m，1.75-2.25m，2.25-2.5m；竖直方向上每10m监测的温度代表该点上下各5m厚度范围的温度，将不同深度范围内岩土体分为多层。建立一个5×4的圆环柱体模型，分别计算单个圆环柱体的蓄积能量。单个圆环柱体蓄能量=密度×体积×比热容×温差，最后分块求和得出总的蓄能量，即5m直径、40m深度换热岩土柱体中的蓄能量。

上述方法可利用监测数据对地埋管地源热泵系统运行后岩土层蓄能量进行定量评价，并且该方法同样适用于地下水地源热泵。

二、地质结构热物性的数值计算

土壤内部传热是一个复杂过程，它是一个有源传热过程，有时伴随着热湿迁移等现象。在传热数值计算过程中，假设条件还包括：土壤性质均匀； 岩土热物性在研究温度范围内变化可忽略； 不考虑由于温度变化导致的热湿迁移；各个单孔热源属于独立中心对称；交互热作用符合叠加原则。在蓄能传热计算过程中，以热流密度的形式（系统功率相对恒定的方式）进行负荷加载。采取不同的换热孔群数量或布置形态，探讨各种蓄能工况。布置8×8竖孔地下换热器群（64个热源），总的计算区域为96m×96m，热源布置区域为48m×48m。竖孔间距为6m。由于热源群布置具有对称性，计算处理过程可选择其中的四分之一区域。网格划分遵守有限元网格划分规则，即在计量变化幅度大的区域网格划分较为密集，而变化幅度小的区域网格较为稀疏，从而兼顾计算速度和精度两者之间的关系。对比两种岩土温度变化可知，具有良好导热能力的花岗岩地质条件，蓄能后温度场发生了整体的上升，而导热稍差的粘土在蓄能后土壤温度场的温度梯度相对较大，无法达到更好的热量外围扩散，各换热器之间仍保持热作用独立。粘土地质条件由于导热扩散能力较低，在热源井孔附近的温度上升程度远远超过花岗岩地质条件温度，形成较为严重的孔壁处热淤积现象，导致温度骤升。同时，粘土意味着在蓄能过程中需要更高品位的热能，或者更高温度的能量蓄能； 温度高反映出没有有效利用各地下换热器热源周边的空间，或者说过大的间距，浪费了地域空间。因此，低导热能力的地质条件更需要间歇蓄能控制。通过监测记录数据，抽水井处八九月平均抽水温度因热贯通的影响，较初始换热温度分别上升约2.56℃和4.34℃。而夏季灌入地下的总能量为3.92×109kJ，换算成单口回灌井灌入的能量为9.80×108kJ，则可得到八九月份因热贯通产生负作用的能量占整个夏季灌入总能量的比值为29.43%。夏季制冷运行结束经过过渡期，在冬季采暖运行开始前，虽然综合整个地层没有明显能量蓄积，但在含水层处温度仍有相对小幅上升。热量蓄积范围内整体地温升高，冬季供暖需要从地下岩土体中取用热量时，抽出的水温高于初始温度值，此时主机蒸发温度较高，有利于提高机组冷凝热，提高系统运行效率，减小系统耗电量，整个空调系统更加节能。此种情形对浅层地温能利用是有利的，应充分利用岩土体中蓄积下来的、反季节需要的能量。

三、结束语

地下岩土地质构造热物性参数决定传热能力和蓄能效果，在地下换热器系统设计计算确定中具有重要作用，它们的偏差对地下换热器系统设计产生直接的影响。地下岩土蓄能体的导热系数决定了在蓄入周期内能量的扩散能力，较低导热系数的岩土地质构造条件导致地下换热器热源孔边形成巨大的温度剃度和能量淤积，要求更高品位的蓄热能源。地下岩土蓄能体的体积比热决定了在蓄入周期内能量的存储能力。热容能力的降低导致区域温度和孔边温度梯度上升，尽管热流作用范围和程度加大，但是需要更高品位的热源能量。低体积比热地下岩土蓄能体的温度增加，却不利于蓄存大规模的能量。

参考文献：

[1]高青.地下土壤导热系数简化柱热源模型确定方法[J].太阳能学报，2014.

[2]乔广.间歇过程地温恢复特性及其规律模拟计算分析[J].热科学与技术，2015.