地源热泵岩土热响应测试分析及应用

李鹏翔，陈 胜>

(中国地质大学 新校区建设指挥部,湖北 武汉 430074)

1 引 言

构建多元化的能源结构、开发清洁可再生的能源是社会可持续发展的迫切需求。浅层地热能作为可再生能源，具有分布广泛、清洁环保、稳定性高的特点，是一种重要的替代性能源[1,2]。在各种可用于地热能采集应用的技术与方法中，地源热泵系统被认为是一种高效、优势的方法。

近年以来，地源热泵在我国已经成为一种低碳环保的重要制冷供热系统，使用面日益广泛[3]。地源热泵系统将地下岩土体或含水层作为一种环境友好且可持续的加热和冷却源，具有相对较低的二氧化碳排放量和环境成本。因其稳定性、效率和清洁度的优势而发展迅速，越来越多的公共和民用建筑使用地源热泵系统进行供暖/制冷，中国地质大学(武汉)在新校区建设中，也将地源热泵系统作为绿色清洁能源的重要部分，大力践行学校“美丽中国、宜居地球”发展战略。但是，地源热泵制冷供热系统的应用也出现了一些问题，例如制冷供热效果不好，运营维护费用高，COP值较低等[4]。探究其主要原因，是因为测试出来的地下岩土体热物性参数不准确或代表性差[5]。

本文通过现场热响应试验和量化分析，充分掌握了中国地质大学(武汉)新校区区域的岩土热物性参数，为地源热泵系统的设计和应用提供了依据。

2 测试背景

测试场地位于武汉市东湖国家自主创新示范区未来科技城左岭镇快岭村，属亚热带季风气候，多年平均降雨量为1 100 mm，主要集中在6月份，多年平均气温为17.7 ℃。根据初期踏勘和现场工程地质勘察的资料(见图1、图2)，该区域覆盖层表层为填土，下部(2～10 m以下)为第四纪粉质黏土，下伏基岩为志留系泥质粉砂岩。根据钻探揭露，场地地层从上到下主要有：①素填土：褐色，稠密状，由黏性土及少量粗砂等组成。②粉质黏土：褐黄色或褐色，硬塑状。含少量黑色氧化物及团状灰白色高岭土。③含砾石粉质黏土：褐黄色或褐色，砾石含量约占54 %，分布不均匀。④强风华砂岩：砾红色或褐红色，岩芯呈短柱状，局部风化或砂土状，强度较低。⑤微风化砂岩：砾红色或褐红色，岩芯呈长柱状或短柱状，原块状构造结构较致密。

图2 试验场区工程地质剖面Fig.2 The engineering geology profile

本文在项目场区内不同位置选取测试工程孔4个，分别编为K1、K2、K3、K4测试孔。其中K1、K4孔内埋设垂直双U型管，K2、K3孔内埋设垂直单U型管，设计孔深100 m。其中K2孔进行了钻探取芯，并由孔底向上每隔20 m设置温度探头，用于监测土壤温度变化。实际成孔孔深及下管深度如表1所示。

表1 四个工程孔的孔深和有效埋管深度

3 岩土热响应测试

地源热泵的地层热物理性质参数最主要有岩土层综合导热系数λ和延米换热量。综合导热系数需要先通过实验获得岩土层初试温度然后通过稳定热流测试得到数值模拟曲线后获得，然后通过计算得到延米换热量。

3.1 岩土平均初始温度测试

K1、K3、K4采用无功循环法进行岩土初始温度测试，K2采用温度探头进行测试，每6小时记录一次数据。测试设备采用武汉地质工程勘察院研制的浅层地热能冷、热响应测试车。地埋管无功循环法是测试孔安装完成后在PE管内充满水，仅启动循环水泵，在循环一定时间后，PE管内水温逐步与岩土体的温度一致。此时通过水泵循环将地埋管换热器内的水泵出，同时监测水温的变化，从而分析岩土体的温度。

3.2 岩土体导热系数测试

岩土体导热系数是地源热泵设计过程中最基本、最重要的参数，一般通过稳定热流模拟试验测定。稳定热流模拟试验是通过试验台向地埋管换热器提供恒定热流，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据，对数据分析处理计算后得到岩土体的平均导热系数。

IGSHPA线源模型是目前普遍采用的地埋管换热器计算模型[10]，其表达式为：

(1)

式中：Tf(t)为随时间变化的地埋管换热器进出水平均温度，℃；ql为单位延米地埋管测试孔换热量，W/m；λ为岩土体导热系数，W/m·K；α为岩土体导温系数，m2/s，α=λ/ρCm；r为钻孔半径，m；τ为加热时间，s；γ为常数，0.577 2；Rb为钻孔内热阻，m·K/W；T0为地层初始温度，℃。

根据上式可推导，利用恒热流模拟试验数据计算岩土体导热系数的公式如下：

Tf(t)=k·ln(t)+m

(2)

(3)

给地埋管换热器提供恒定热流，加热6个小时(x=21 600 s，由于钻孔直径远小于钻孔深度，因此可将其视为无限长线热源传热，F0=ατ/r2，当5≤F0时为有效值，α为注浆料导温系数m2/s，r为钻孔半径m)后得到进出孔平均温度。将恒热流模拟试验的试验数据做成对数拟合曲线图，并将其拟合为式(2)的形式，通过对数拟合曲线结果可计算系数k，将k代入式(2)可计算岩土体导热系数λ，结论可供区域浅层地温能调查评价和地源热泵工程项目设计参考。

3.3 每延米换热量计算

采用国标《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)(2009年版)附录B[2][11]中的公式计算(以下简称国标法)，该方法需分别计算5个热阻值，如表2所示。然后在制冷(制热)工况下，按空调系统不同运行份额计算地埋管换热器的每延米换热量。

表2 不同钻孔的热阻值

4 测试数据与分析

4.1 岩土平均初始温度

K2采用温度探头进行测试，如表3，K2钻孔根据温度探头测得初始地温为18.24 ℃。K1、K3、K4采用无功循环法获取岩层温度，流量为1.39 m3/h，水泵出水的温度随时间变化曲线如图3所示。由图3可知，K1、K3、K4分别与33 h、31 h、33 h后地埋管换热器的循环水温趋于稳定，因此K1、K3、K4钻孔利用无功循环得到初始地温分别为18.25 ℃、18.33 ℃、18.21 ℃。计算得出研究区的地层初始平均地温为18.26 ℃。

图3 温度测试孔位平面布置Fig.3 The layout of the temperature investigation hole

表3 K2孔探头温度记录

4.2 岩土体的平均导热系数

岩土初始地温试验完成后，进行恒热加热试验。采取6.5 kW功率进行恒热加热试验，自2014年9月16日14:54开始至2014年9月18日13:39结束，平均流量为1.39 m3/h。图4显示通过U形管进出水温度与时间的关系图。在试验开始6 h内，进出口水温在加热功率作用下，上升较快，此时换热主要集中在钻孔内部。随着系统运行时间的增加，K1、K2、K3及K4四个钻孔进出口水温差逐渐稳定，分别稳定在4.8 ℃、4.3 ℃、4.4 ℃、4.5 ℃左右，此时各个钻孔内外换热已达到平衡状态。

图4 测试孔无功循环水温曲线Fig.4 The temperature of the circulating water without power input

试验结束后，将四个钻孔试验数据拟合为温度与时间对数的线性方程的形式。图5显示通过对数拟合曲线得到k，根据k计算得K1、K2、K3、K4测试孔埋管深度范围内土壤的各孔热传导系数分别为1.89 W/m·K、1.72 W/m·K、1.55 W/m·K、1.88 W/m·K。这表明试验场地K1、K2、K4三孔导热系数相差不大；K3钻孔导热系数相比K1、K2、K4钻孔导热系数较小。根据四个钻孔测试导热系数可以得到该地区地层平均热传导系数为1.76 W/m·K。

图5 钻孔测试温度随时间变化曲线Fig.5 The curve of temperature changing with time (double u-tube)

图6 钻孔测试对数曲线Fig.6 Mean fluid temperature vs. logarithmic time of the TRTs

4.3 每延米换热量计算

在制冷(制热)工况下，按空调系统不同运行份额(全天中制冷或采暖开机运行时间的占比)，得出不同运行份额下延米换热量见表4。在制冷工况下，试验场地地埋管的平均每延米换热量为50.64 W/m；在制热工况下，试验场地地埋管的平均每延米换热量为38.23 W/m。这表明研究区夏季制冷潜力大于冬季供暖潜力，该数据可以作为单孔换热能力的参考指标。

表4 各钻孔不同运行份额延米换热量计算表

续表4

5 结论及建议

5.1 结论

本文通过岩土热响应测试对中国地质大学(武汉)新校区场地内的地埋管进行热响应测试，得到场地内地层平均初始地温、地层热物性参数及测试孔的换热能力，主要结论如下：

1)利用无功循环法的热响应试验，得到试验场地内的浅层101 m以内地层平均初始温度为18.25 ℃。

2)通过对四个钻孔进行6.5 kW功率的恒定热流加热试验和数据分析，可以得到该地区地层平均热传导系数为1.76 W/m·K，换热孔综合热阻为0.120 m·K/W。

3)模拟工况试验结果表明，在制冷工况下，试验场地地埋管的平均每延米换热量为50.64 W/m；在制热工况下，试验场地地埋管的平均每延米换热量为38.23 W/m。说明夏季制冷比冬季供暖潜力大。

5.2 建议

系统建成启动后，测试孔区域地层温度会发生变化，对周围地层的温度场会产生影响，为了系统运行的安全和稳定，建议设置1～2个地质环境观测孔，记录测试孔区域及周围地层温度场的变化情况。系统运行过程中，管理人员应做好机组运行记录，并随时注意观测地质环境监测孔内的温度变化情况。