陕西渭南地区岩土热响应测试与分析*

2019-09-05薛宇泽陶鹏飞张廷会张育平韩元红肖踞辉

新能源进展 2019年4期

薛宇泽，陶鹏飞，张廷会，张育平，韩元红，肖踞辉

（1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021；2.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710021；3.陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司，陕西渭南 714000）

0 前言

渭南地处渭河盆地，渭河盆地地热资源丰富[1-3]，利用浅层地热能地源热泵技术供暖制冷具有环境友好、清洁干净、节能高效等优点。但随着地源热泵系统的迅猛发展也暴露出很多问题，如长期使用造成的地层冷热不平衡、运行能耗增加、系统在实际运行时的工况参数与设计不符[4]，导致运行负荷严重超标等。地源热泵系统长期稳定运行的一大关键在于地层的导热系数与地埋管换热器的每延米换热量等重要参数的确定，这些参数对地埋管系统钻孔的数量及深度设计至关重要[5]，通过规范的现场岩土热响应测试试验可以准确得到热物性参数，为地源热泵系统设计提供依据。目前用于岩土热物性参数的测试方法主要有四种：土壤类型辨别法、稳态测试法、探针法和现场热响应测试法[6]，其中现场热响应测试法克服了土壤样品与地下原始结构差异大的问题，可获得与实际更为接近的整个钻孔深度土壤的有效导热系数，更能满足实际工程的要求[7]。

1 工程概况

工程位于陕西省渭南市内，采用土壤源热泵技术对住宅办公小区进行冬季供暖与夏季制冷，选取已经完工的1号试验钻孔进行热响应试验。埋管形式为单U，PE管规格为De32；孔深150 m，孔径为150 mm，回填材料为原浆和细沙。

项目区在地质构造上处于中部渭河阶梯状断陷构造，为新生代断陷盆地，介于秦岭北坡-太华山北侧大断层及北山山前大断层之间；目前南北山区仍在不断强烈上升，中部断陷区仍继续下降。根据1号试验钻孔录井结果，该项目地层岩性主要为黄土层、砂土层、砂砾石层，钻孔地层描述如表1。

表1 1号试验孔地层岩性Table 1 The stratum lithology of test depth

2 测试原理模型及方法

2.1 测试原理

现场热响应测试方法有恒温法与恒流法两种。恒温法需要分别做放热试验与取热试验，用来模拟真实的夏季与冬季工况。具体方法为控制热响应测试仪出口温度恒定，使其与系统实际运行的介质温度一致，通过测定热响应测试仪进口温度来计算实际换热量。恒温法试验通常只能连续运行几十个小时，与真实工况的运行时间相差甚远，实际运行的地层温度变化与试验时间的温度变化并不相同，得到的每延米换热量也不相同，因此恒温法只适合于可行性分析，不适合于真实土壤热物性测试[7]。

测试采用恒流法。恒流法是指恒热流法，是通过热响应测试仪加热器采用恒定功率对水箱进行加热，循环水泵将加热后的水通过U型地埋管带到地下，对地层进行放热，与地层换热后再次回到水箱，往复循环该过程；当系统进出口水温稳定达到平衡，记录地埋侧的进出口水温和流量，运用已知的换热模型中反算出导热系数等参数值，从而求出换热量Q值。该试验过程的实质是经过加热后的循环水对地层进行了放热，岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热或是取热试验，其数据处理过程基本相同。国际上通行的做法即采用恒热流法来确定岩土的热物性参数，同时也是国际地源热泵协会（IGSHPA）[8]和美国采暖制冷与空调工程师协会（ASHRAE）手册所推荐的方法[9]。

2.2 测试方法

钻井完成后不能立即进行试验，这是由于受到钻进过程的影响产生热量，所测地温不能反映真实的地层温度。试验在完钻48 h后进行，此时回填材料与地层温度已达平衡，所测温度可代表地层温度。

首先在不开加热器的前提下打开循环水泵，使系统运行，记录地埋管进出口温度，待进出口温度数值相等并稳定后，将该温度作为地层的初始温度。获取初始地温后开启加热器，并以恒定的功率和流量运行，计算机1 min记录一次进口温度与出口温度，根据测得的数据在相关软件中求得地层热物性参数。测试过程不得中断，若发生中断情况必须使地层温度充分恢复到原始地温才可进行新的测试。示意图如图1所示。

图1 岩土热响应测试示意图Fig.1 Geotechnical thermal response test

2.3 计算模型

试验采用热响应测试仪的理论模型为线热源模型[10]。由于钻孔直径远小于钻孔深度，可以认为地埋管换热器是单根线热源，忽略换热过程在纵向深度方向的传热量，其能量传递是线热源在无限大平面介质中的一个传热过程，考虑钻孔热阻，可有以下表达式[11]：

式中：Tf为地埋管中循环流体平均温度，℃；λ为地层土壤导热系数，W/(m·K)；H为钻孔深度，m；τ为某一时刻，s；α为热扩散率，m/s；rb为钻孔半径，m；γ为欧拉常数，取0.577 2；Rb为循环流体与钻孔间的热阻；T0为原始地层温度，℃；Q为换热量，表达式为：

tin为地埋管循环液进口温度，℃；tout为地埋管出口温度，℃；m为平均流量，kg/s；c为水的比热容，取4 200 J/(kg·℃)；tin、tout可通过仪器测得，m可通过流量换算得到，因此Q为已知量。

整理式（1）发现，除了Tf与τ外，其余参数都是定值，因此方程可简化为Tf随时间对数lnτ的一元一次方程，可简化为y=kx + b，k是斜率，b是截距，其中y=Tf，是地埋管循环液的平均温度；结合式（1）可得：

忽略钻孔轴向的导热和流体对流换热的影响，但考虑垂直于钻孔轴线的横截面中的二维传热，根据单U型埋管二维导热模型[12-13]得出单U型埋管结构的钻孔内总传热热阻Rb表达式为：

式中：λb为钻孔回填材料导热系数，W/(m·K)；λs为埋管周围岩土的导热系数，W/(m·K)；λp为地埋管的导热系数，W/(m·K)；do为埋管外径，m；di为埋管内径，m；db为钻孔直径，m；h为循环介质与U形管内壁的对流换热系数，W/(m2·K)。

3 测试结果与分析

3.1 初始地温

连接好热响应测试仪与地埋管，并检查密封耐压无误后，启动循环水泵，使介质在不加热的情况下在U型地埋管中循环，待出口温度稳定后认为是地层初始温度。测定了初始地温为18.9℃，热响应测试仪设备的平均加热功率P为6 783 W。运行参数详见表2。

表2 测试系统运行参数Table 2 Test system working parameters

3.2 岩土热物性系数测定

通过恒定加热功率加热循环水泵的水，以恒定的流量进入地埋管，系统每隔1 min自动记录地埋管进出口温度，连续运行不低于48 h，运行结束后将数据导出，通过专业软件计算出土壤的导热系数、容积比热容等参数。热响应测试的时间对测试结果影响很大，理论上测试时间越长，进出口平均温度值随时间变化曲线更接近于真实趋势，相关研究显示，测试时间增加至50 h，测试结果计算值与真实值之间误差将小于 ±5%[7]。测试时长为58 h，借鉴国外测试时间推荐值同时满足国内规范要求。测试过程中的额定加热功率为6.8 kW，流量0.47 kg/s，地埋管进出口温度变化如图2所示，根据测试数据可得出进出口温度随时间的变化。

从图2可以看出，试验构成大致可分为三个阶段：

（1）试验的0～8 h，竖直U型地埋管内换热介质进出口温度上升较快，这是由于循环水吸收加热器的热量远大于循环水散失给地层的热量，地埋管系统传热刚刚开始，远未达到稳定与平衡。

图2 地埋管进出水温度随时间的变化Fig.2 Input and output water temperature curves of buried pipe

（2）6～20 h，地埋管进出口温度继续升高，但上升速度已经放缓，这是由于随着时间的增加，循环水吸收加热器的热量与循环水散失给地层的热量的差值逐渐减小，地埋管系统传热趋于稳定。

（3）20～58 h，进出口温度小幅上升趋于稳定，且温差基本保持在3℃左右，循环水吸收加热器的热量与循环水散失给地层的热量基本恒定并趋于平衡，此时整个系统进入稳定平衡状态，满足试验要求的恒定热流条件，也说明该地埋管换热器的换热能力是较稳定的[14]。

将平均温度运用最小二阶乘法进行拟合得到图3。根据2.3节，在软件中拟合的公式可求得截距与斜率，式（3）中Q、k、H都是已知量，求得导热系数为2.16 W/(m·K)，已知地埋管的相关参数，根据式（5）可求得钻孔热阻值Rb为0.42 (m·K)/W；通过截距b可算出α热扩散率0.9 × 10-6m2/s；岩土容积比热容、热扩散率和导热系数有ρc=λ/α的关系[7,15-16]，据此公式可求得岩土容积比热容ρc为2.39 MJ/(m3·K)，换热量Q=cm(tin-tout)=6 743 W，每延米的换热量为q=Q/H=45 (W/m)。结果列于表3。