泗河冲洪积扇松散岩土体地温场自恢复能力研究

胡波，黎逢良，谭秀全

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100)



泗河冲洪积扇松散岩土体地温场自恢复能力研究

胡波，黎逢良，谭秀全

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100)

泗河冲洪积扇区域分布厚层松散岩土体，浅层地温能开发利用潜力巨大，查明地温场的温度自恢复能力并分析其影响因素，对地源热泵工程换热器的设计具有重要参考价值。笔者开展了多组现场热响应试验，并采用高精度测温线缆，长期监测地埋管换热器周边不同岩性、不同深度岩土体温度变化情况，以查明其变化规律。研究表明：在同种工况下，砂性土的温度恢复能力要远强于粘性土，地温的恢复主要发生在负荷停止的初期。研究区粘性土温度自恢复能力差，岩土体热物性参数、地下水径流条件、埋管循环水温度、气温及变温带深度是影响地温场恢复能力的因素。

松散岩土体；地源热泵；地温恢复；泗河冲洪积扇

泗河冲洪积扇松散岩土体厚度大，砂层富水性好，地下换热器施工条件优越，地源热泵技术因其高效、节能、环保，在区内逐步得到广泛应用，但也存在地源热泵场地勘查评价工作不规范，热泵系统运行监测体系不完善等问题[1]。研究区内冬季连续供暖时间约120d，夏季连续制冷时间不足90d，冷热负荷不均衡。若地下换热器设计间距、数量不合理，一个供暖制冷周期后，岩土体的温度会呈单向变化，不能恢复至初始地温，进而传热趋势衰减，换热能力降低，导致热泵机组耗能增加。岩土体作为地热能的主要赋存体，其温度场特征影响热泵机组的功耗和系统性能指标。遵循地温变化规律，提高地温自恢复能力，对降低热泵机组能耗，保障工作效率具有重要意义[2-4]。该文通过研究区内多组热响应试验及地温监测成果，总结了在冷(热)负荷影响下，不同深度岩土体的温度变化规律，着重分析了松散岩土体地温场自恢复能力及其影响因素。

1 研究区概况

1.1 自然地理

泗河为济宁市东部最大的一条河流，发源于蒙山腹地新泰南部太平顶西麓，西南流入泗水县境后改向西行，至曲阜市和兖州市边境复折西南，在济宁市东南鲁桥镇注入南阳湖，境内全长136km。泗河冲洪积扇东起曲阜山前，西至济宁湖区，北界在大安—颜店—二十里铺一带，南界在小雪—太平桥一带，面积1093.77km2，东邻曲阜断块和杨柳—戈山丘陵区，南、北、西分别与邹西冲洪积平原、汶河冲洪积扇、湖西冲积平原接壤。区内地貌形态由泗河多次泛滥改道沉积形成，地面标高一般在34～60m之间，整体地势东高西低，北高南低，微向西南倾斜。

1.2 岩土体物理特征

研究区松散岩土体厚度一般大于120m，沉积厚度总体上由北东向南西逐渐增厚，颗粒由粗变细[4]。全新统、上更新统沉积颗粒较细，含水砂层连续性差；中、下更新统沉积颗粒较粗，砂层发育，透水性强。岩土体主要岩性为冲洪积相的可塑—硬塑状态的粘性土及松散—密实状态的砂土，岩性变化复杂，砂层分布不均[5]。粘性土孔隙率及含水率高，渗透性微弱，砂土透水性较好(图1、表1)。

图1 泗河冲洪积扇平面位置图

岩性粘性土砂土密度(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渗透系数(cm/s)1×10-7～1×10-61×10-3～1×10-2

1.3 地源热泵系统应用情况

研究区开发利用浅层地温能处于快速发展阶段，并以地埋管地源热泵方式为浅层地温能开发利用的主要方式，地下水地源热泵利用案例较少。大部分地源热泵系统利用在公共建筑上，仅间歇性的运行，既不全天运行，全年的实际运行时间也各有差异，且均没有长期的地温监测数据及相关的地温监测设备。地埋管换热器的施工深度一般为100m，埋管间距在4～5m，换热层位均为松散岩土体。

2 试验测试及数据处理

2.1 测试方法

目前现场热响应实验是获取地下岩土体热理参数的有效技术方法，该次试验孔位于研究区兖州—济宁一带，孔径180mm，孔深80～120m，下入PEΦ32双U管及单根测温管，孔内回填中细砂。试验采用由天津地热勘查开发设计院生产的FTPT1-1型地层热响应测试仪，该试验仪可进行最高12kw排热测试，并实时获取地埋管换热器的进出水口温度，数据采集频率1次/分钟。主要测试手段包括无负荷循环测试，6kw恒功率热负荷测试，7℃恒温度冷负荷测试，地温恢复观测(图2)。采用总线式测温线缆及TD-016C高精度温度采集仪，监测不同深度地温变化情况，数据采集频率1次/小时。测温线缆中按一定间距设置了WD-016A型传感器(精度0.1～0.2℃),采集数据以GPRS方式传输至云平台，供后期分析处理。

图2 试验装置示意图

2.2 岩土体热物性及热响应特征

测试孔位于120m深度以浅，广泛分布第四系松散岩类。上部砂土岩性以粉砂、细砂为主；下部砂土岩性以中、粗、砾砂为主。上部粘性土多为棕褐、黄褐色，可塑—硬塑，略具膨胀性，下部粘性土多为棕褐色、蓝灰色，硬塑—坚硬。

热响应试验采用恒定热流法，实验数据的处理主要基于线热源模型，试验时只需要记录地埋管进出口水温值、管内流量、时间3组数据，并拟合出线性方程，即可利用方程的斜率、截距，求得实际条件下岩土体的热导率、热扩散系数等参数[6-14]。通过热响应试验测试成果和土样室内热物理测试数据对比分析可知：自然条件下受地下水径流影响，热量加速扩散，野外热响应试验测得的热扩散率高于室内测试结果(表2)。

表2 研究区松散岩土体热理指标

3 岩土体温度动态变化规律

3.1 恒功率排热模式下的地温动态变化规律

在JD3孔6kw制热模式下，开始制热的15h内，不同深度岩土体温度迅速上升约8℃，后趋于平稳，制热历时57h；停止制热后保持水泵的运作，岩土体温度下降8℃，耗时约30h，后地温缓慢恢复，经观测622h后，115m深地温方能完全恢复至初始状态。在制热阶段的后程及无功循环阶段，岩土体温度随气温波动变化明显，水泵停止工作后，气温变化对深部岩土体温度影响甚微(图3、表3、表4)。

在JD9孔6kw制热模式下，开始制热的6h内，不同深度岩土体温度迅速上升约8℃，后上升速率减缓，制热历时48h；停泵后20h地温迅速降低，而后渐缓，经观测408h后，80m深处岩土体温度方能完全恢复至初始状态；无功循环阶段埋管内循环水扰乱了初始地温场，使不同深度岩体温度趋于统一；受气温影响，5m深岩土体温度初期恢复较快，后期反而较其他深度慢(表5、表6、图4)[6-9]。

图3 JD3孔不同深度地温变化曲线(埋管深120m)

层号埋深(m)岩性层号埋深(m)岩性层号埋深(m)岩性10.0～6.0粉质粘土944.8～56.8粘土1783.5～91.5粘土26.0～12.0中细砂1056.8～60.0中细砂1891.5～95.0中细砂312.0～20.0粘土1160.0～66.0粘土1995.0～101.0粘土420.0～22.0中细砂1266.0～69.7中细砂20101.0～104.9中粗砂522.0～31.9粉质粘土1369.7～72.4粉质粘土21104.9～109.4粘土631.9～37.0中细砂1472.4～79.0中细砂22109.4～111.0中粗砂737.0～39.5粉质粘土1579.0～79.8粉质粘土23111.0～116.9粘土839.5～44.8中细砂1679.8～83.5中细砂24116.9～120.0中细砂

表4 JD3孔不同深度岩土体温度恢复时间

表5 JD9孔地层结构

表6 JD9孔不同深度岩土体温度恢复时间

3.2 排冷热模式下的地温动态变化规律

在JD7孔排冷模式下，在开始排冷的15h内，不同深度岩土体温度迅速下降了约5℃，由于循环水温度为恒7℃，制冷后半程地温变化缓慢，总历时53h；停泵后20h地温迅速回升，而后渐缓，经观测223h后，100m深处岩土体温度方能完全恢复至初始状态(图5、表7、表8)。

图5 JD7孔不同深度地温变化曲线(埋管深120m)

层号埋深(m)岩性层号埋深(m)岩性层号埋深(m)岩性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粉质粘土641.4～49.4粉质粘土1083.0～104.2粉质粘土324.8～32.6中粗砂749.4～71.5中粗砂11104.2～106.8粗砾砂432.6～38.5粘土871.5～78.8粉质粘土12106.8～120.0粉质粘土

表8 JD7孔不同深度岩土体温度恢复时间

4 试验结果分析

(1)试验后粘性土地层温度恢复缓慢，在自然条件下需要数百个小时方能恢复其初始温度，与其成分及热物理特性有重要关系[6-9]。粘性土主要由铝、镁硅酸盐矿物组成，该类矿物易吸水，颗粒极细(<0.005mm)，具塑性，多呈絮状结构，团状构造。上述因素造就了粘性土高孔隙率，高含水率的特征，其孔隙率及含水率远高于基岩，由于水的比热容要远大于矿物固体骨架的比热容，天然状态下的粘性土比热容要高于基岩，热扩散性能低于基岩，即热量在粘性土内部传递的更慢一些，因此在吸收同样热量的前提下，松散的岩土体需要更长的时间来恢复到初始地温。

(2)在同种工况下，砂性土的温度恢复能力要远强于粘性土，因为砂性土主要成分为长石及石英，颗粒粒度大，孔隙直径大，渗透性强(比粘性土高出约4个数量级)，更利于地下水的径流，而地下水径流带走了土体中的热量，加速了砂土温度的恢复。

(3)地埋管中的循环水会将热量从埋管周围温度高的岩土体传递至低处，使试验孔不同深度岩土体温度趋于统一，在地温分层监测曲线中体现为多点地温曲线由分散到紧束。

(4)气温对5m以浅的岩土体温度影响较大，对10m以下深部岩土体温度影响轻微，表现在浅部岩土体温度与气温相差大时，会以较快的速度恢复至气温值附近，而后受昼夜交替影响，呈波动上升或下降，而深部岩土体温度不随昼夜的交替波动。在无功循环阶段，仪水箱内的循环水温度受环境影响变化与地温产生温差，循环水流经不同埋管深度释放热量，使得不同深度岩土体温度均会随昼夜交替而轻微波动[15-16]。

(5)虽然地温恢复时间愈长，愈接近岩土体初始温度，但到达一定程度后，温差值变化不大，说明地温的恢复主要发生在负荷停止的初期，而后期的恢复速率很慢。因为在地温恢复初期，岩土体温度与周边岩土体温差大，单位时间换热量大，温度变化也非常迅速，随着恢复过程的延续，上述温差逐渐减小，换热量也减小，温度变化趋于平缓。

5 工程实例分析

研究区中部某小型办公楼建于2016年，高2层，建筑面积约1000m2，采用地埋管地源热泵系统供暖，埋管管材为DN32型PE100单U管，数量26根，埋管间距4.5m，埋管深度100m。在其中一根埋管壁外置入了100m2长的地温监测线缆，用于监测地温变化情况。该办公楼内热泵机组处于供暖模式间歇运行13d，每天供暖约9h，测得监测孔不同深度地温变化曲线(图6)。经过热泵机组13d的运行，监测孔周边地温并未持续下降。供暖周期的前几日，室内温度较低，热泵机组以较高负荷运行，埋管与土体换热量较大，地温降幅也大；因建筑本身节能保温效果较好，随着供暖的持续，热泵机组的运行负荷也逐渐降低，埋管与土体的换热量减小，地温降幅趋于稳定[17]。单日情况下，在热泵机组运行供暖的9h期间，地温骤降；供暖结束后，地温能在15h内迅速恢复至距初始地温约0.5℃，能够保证下一个供暖日热泵机组正常运行。

图6 工程监测孔不同深度地温变化曲线

6 结论

(1)研究区粘性土比热容高，热扩散性能差，温度恢复能力差。岩土体热物性对温度恢复有明显的影响，颗粒粒度大、孔隙直径大、渗透性强的砂性土温度恢复能力远高于粘性土。地下水径流条件、埋管循环水温度、气温及变温带深度也影响着地温场的恢复。

(2)按实际需求分阶段间歇运行热泵，能够使岩土体温度在短时间内恢复至接近初始地温，提高热泵的工作效率，降低能耗。

(3)为消除(减缓)埋管区域岩土体热(冷)堆积，可在制冷(供暖)期结束后保持埋管内的水循环一段时间，加速岩土体深部与变温带的热量交换，在一定程度上平衡热(冷)堆积。

(4)改善地下水径流条件，可加速岩土体温度的恢复，可鼓励开展地埋管-地下水结合式热泵系统的研究与应用。

(5)试验均为单孔测试，缺乏对群孔温度干涉影响的观测分析，须进一步加强对大型工程热泵开发利用过程中的地质环境监测工作。

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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；编辑：曹丽丽 基金项目：山东省国土资源厅，济宁市浅层地温能调查评价，鲁国土科字(2015)002号 作者简介：胡波(1986—)，男，山东济宁人，工程师，主要从事水工环地质工作；E-mail：foxuan@163.com

胡波，黎逢良，谭秀全.泗河冲洪积扇松散岩土体地温场自恢复能力研究[J].山东国土资源，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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