碳酸鹽地區巖土熱物性測試分析

莊樹裕

(福建省地質調查研究院，福建福州 350000)

碳酸鹽地區巖土熱物性測試分析

莊樹裕

(福建省地質調查研究院，福建福州 350000)

通過現場巖土熱物性測試試驗，測試研究了雙U形豎直埋管與樁基螺旋盤管兩種類型換熱器在碳酸鹽巖地區的換熱能力，并對測試結果進行了對比分析，指出兩者結合更有利于地源熱泵技術在碳酸鹽地區的推廣與應用。

巖土熱物性參數，導熱系數，雙U形豎直埋管，樁基螺旋盤管

0 引言

地源熱泵技術［1］是一種開發利用中低溫地熱資源的有效方法，具有低耗高效、綠色環保及可再生利用地熱資源的特點，是21世紀最有發展前景的50項高新技術之一，在歐、美和日本等發達國家早已廣泛推廣，在國內也成為空調行業研究的熱點。我國地源熱泵系統在京津冀遼等華北和東北部地區運行效果良好，已獲得較廣泛推廣。目前，地源熱泵技術在地層以碳酸鹽巖為主的地區的研究與應用，還沒有參考案例，國內有關此方面的資料甚少，從而影響該技術在該地區應用推廣。

1 測試的環境

研究區域現場巖層為單斜產出，產狀為傾向241°，傾角68°，下伏基巖為三疊系下統白云巖。場地出露地層為第四系填土、紅粘土。場地地下水主要為大氣降水向下滲漏在上部土層中形成的上層滯水以及基巖裂隙水，地下水水量不豐富。

2 測試試驗原理

淺層巖土熱物性原位測試儀［2］的工作原理：在將要埋設地熱換熱器的現場進行鉆孔，測試井深與實際工程設計井深一致，在鉆孔中埋設地下熱交換器并按設計要求回填。測試時，地下埋管換熱器和測試儀的循環管道相連形成封閉的管路，然后啟動加熱設備連續運行數十小時，利用溫度、流量等各種傳感器測量管路中不同位置循環流體的溫度、流量以及加熱器、水泵和設備總功率，得到傳熱模型所需數據，利用傳熱模型對數據進行處理，得到巖土熱物性參數，繼而對地埋管進行換熱計算，達到測試目的。測試儀結構原理圖如圖1所示。

測試儀外觀如圖2所示。

3 巖土熱物性測試結果

3．1 大地初始溫度

在測試初始階段，首先對大地原始溫度進行測試，開啟水泵循環直到測試流體的進出水溫度趨于恒定，該溫度值即為地下換熱器埋深范圍內的巖土層的原始平均溫度［3］。測試得出樁基埋管地下換熱器埋深范圍內的巖土層的原始平均溫度為22．1℃，如圖3所示。雙U埋管地下換熱器埋深范圍內的巖土層的原始平均溫度為20．6℃，如圖4所示。

圖1 測試儀結構原理圖

圖2 測試儀

3．2 巖土導熱系數

開啟電加熱后，初期供回水溫差變大，當運行24 h以后，進出井口的水溫溫差逐漸趨于穩定，地下熱交換器和土壤的熱交換基本達到平衡［4］。整個測試情況如圖5，圖6所示。

圖3 樁基螺旋盤管換熱器周圍巖土溫度曲線

圖4 雙U豎直換熱器周圍巖土溫度曲線

圖5 樁基埋管

圖6 雙U埋管

開始加熱流體時，地下溫度開始變化較快;隨著加熱時間的增加，地下溫度變化趨于平穩，流體與巖土層的換熱近似達到平衡。整個溫度曲線無明顯波動、變化，這時對進出水溫度曲線進行擬合，得到換熱器周圍巖土的熱物性參數。整個試驗過程測試到的數據可以用軟件進行數據分析。計算結果錄入表格，導熱系數如表1所示。

表1 巖土導熱系數

3．3 單孔換熱量

換熱孔的換熱量是與換熱管內的流體特性、換熱管的材料特性、周圍巖土的巖性及巖土的賦水情況、回填料的特性、土壤的原始溫度及換熱管內流體的溫度等諸多因素有關，這些因素都直接影響著整個巖土換熱器的換熱能力，由于地下的巖土結構及分布比較復雜，只有通過測試試驗孔井綜合傳熱系數來衡量整個換熱孔的換熱性能［5］。通過軟件分析數據，計算結果如表2，表3所示。

表2 樁基螺旋盤管換熱器制冷(制熱)模式下換熱情況

表3 雙U埋管換熱器制冷(制熱)模式下換熱情況

4 測試結果分析

1)巖土導熱系數。綜合樁基螺旋盤管換熱器和雙U垂直埋管換熱器測試數據得到該區域的淺層巖土熱物性參數，該區域平均導熱系數約為3．05 W/(m·K)，且鉆孔深度越大，巖土導熱系數越大。因此考慮地熱換熱器換熱效率，宜采用較深的鉆孔。

2)換熱器的埋設成本。進行該項測試前，利用打孔設備鉆孔，在碳酸鹽巖地區打深孔過程比較艱難，成本比較高，而在現有的建筑孔樁內進行埋設換熱器，不用打孔，成本較低，且節約換熱器埋設的占地面積。

3)誤差的主要原因分析。測試前地下溫度場已受到干擾。鉆孔過程中對地下溫度場將產生較為明顯的影響;回灌封孔后穩定的時間不夠長：測試(加熱)前地埋管內循環水溫度有別于地埋管周圍巖土層溫度等。這些都將導致測試初始條件與計算模型初始條件的不一致，從而導致模型誤差。

5 結語

1)碳酸鹽巖地區巖土的平均導熱系數較大，有較強的地下換熱能力，利用地源熱泵系統有較好的地質條件。2)在碳酸鹽巖地區利用地源熱泵系統根據工程的具體條件合理選擇雙U形豎直埋管和樁基盤管換熱器，雙U形豎直埋管換熱器換熱效率高，鉆孔成本高，進而增加初投資的費用;而樁基盤管換熱器更為經濟，但是換熱效率低，可以考慮在鉆孔條件有限的情況下作為換熱器埋設的補充。兩者的相互結合合理利用更有利于地源熱泵技術在碳酸鹽巖地區的推廣與應用。

［1］徐 偉．地源熱泵工程技術［M］．北京：中國建筑工業出版社，2001：89-94．

［2］孫友宏，王慶華，陳昌富．地層熱物性原位測試方法及儀器［J］．供熱制冷，2008(11)：31-33．

［3］于明志，方肇洪．用于現場測量深層巖土導熱系數的簡化方法［J］．熱能動力工程，2003，18(5)：512-515．

［4］趙 軍，段征強，宋著坤．基于圓柱熱源模型的現場測量地下巖土熱物性方法［J］．太陽能學報，2006，9(9)：934-936．

［5］李曉東，李雨桐，于明志．基于地源熱泵的巖土熱物性測試儀的研制與應用［J］．儀表技術與傳感器，2004(9)：28-29．

On analysis of rock-soil thermal properties tests in carbonate areas

ZHUANG Shu-yu

(Fujian Institute of Geological Survey，Fuzhou 350000，China)

According to the measurement tests of the field rock-soil thermal properties，the paper tests and studies the heat-transfer of the two typical heat exchangers，the double U-tube heat exchanger and pile foundation spiral coil，and their heat exchanging capacities in carbonate areas，undertakes the comparative analysis of the tested results，and points out the combination of the two methods can enhance the extension and utility of the ground-source heat pump in carbonate areas．

rock-soil thermal properties parameter，heat conductivity coefficient，double U-tube heat exchanger，pile foundation spiral coil

TU459．9

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.003

1009-6825(2013)10-0070-02

2013-01-14

莊樹裕(1979-)，男，工程師