沙漠區巖土熱響應測試分析及沙漠源熱泵系統運行策略

宋 偉，鄭湍峰，張華北，陳翔燕，劉 誠

（1. 北方工業大學土木工程學院，北京 100144；2. 江蘇盛世節能科技有限公司，連云港 222022）

0 引 言

中國淺層地熱資源豐富，發展前景廣闊。《地熱能開發利用“十三五”規劃》闡述了地熱能開發利用的指導方針和目標[1]，為“十三五”時期中國地熱能開發利用提供了基本依據。“一帶一路”建設中“絲綢之路經濟帶”沿線各國都存在豐富的地熱能資源，由于不同地質條件的影響，淺層地熱能的開發利用受到限制。沙漠地區光熱資源豐富，但由于其惡劣的自然條件，淺層地熱能并未得到廣泛利用。近幾年來，中國積極在沙漠地區探索發展現代化、科技化農業[2]，淺層地熱能的應用對發展沙漠農業，特別是溫室大棚提供了更好的契機。

地源熱泵技術作為應用淺層地熱能的重要方式，在國內得到廣泛應用[3]。由于巖土熱物性對鉆孔的數量和深度的確定均有較大影響，進而影響系統的投資與運行。其參數的不準確性將導致設計的系統與實際負荷不匹配，從而不能充分發揮熱泵系統的節能優勢。因此，準確確定巖土熱物性參數是地源熱泵設計的基礎[4-7]。

本文結合寧夏沙漠地區某沙漠源熱泵項目，開展巖土熱響應試驗[8-9]，為沙漠地區熱泵技術的推廣提供借鑒。通過分析所得的巖土平均導熱系數，對該沙漠地區項目的地埋管換熱器進行設計計算。通過與中國東部地區相關測試數據的對比，結合沙漠地區氣候條件分析系統運行策略，提出了一種適合在沙漠地區夏季運行的復合儲能式沙漠源熱泵系統。

1 熱響應測試原理及計算方法

1.1 熱響應測試原理

該項目采用恒熱流法進行熱響應測試[10-12]，即在地下溫度場穩定的前提下，向地下輸入恒定的熱量，得到地下巖土的熱響應，通過流體溫度的變化規律，確定巖土的熱物性參數。

圖 1給出了熱響應試驗測試的原理圖，在循環水泵的作用下，流體由地埋管出口(B)進入測試系統，此時溫度傳感器記錄與土壤換熱后的流體溫度，隨后流體經過恒功率電加熱器加熱后，記錄地埋管入口(A)流體的加熱溫度，而后進入地埋管換熱器中與巖土進行換熱。

圖1 測試儀結構原理圖Fig 1 Schematic diagram of tester structure

1.2 巖土初始溫度

地表到深度3 km以內的地溫分布大體上可分為變溫層、恒溫層、增溫層[13]，巖土溫度隨著深度的增加，受到的太陽輻射和大氣輻射的影響減弱，直到地層某個深度之后這種影響可以忽略，從而使地層恒溫，即恒溫層。這個深度上邊界一般為15 m，不同地區的恒溫層邊界和溫度有一定偏差，需要實地測量和理論計算[14-16]。

1.3 巖土平均導熱系數

巖土平均導熱系數由熱響應測試數據分析得出，其理論基礎是開爾文的線熱源理論[17-18]。具體計算方法如式（1）所示，該式還可簡化為式（2），由此得出巖土平均導熱系數公式，如式（3）所示。由式（2）得到，地埋管平均換熱溫度與對數時間呈線性相關，其k值即為線性斜率，以此通過公式（3）求出巖土平均導熱系數。

式中T?為平均溫度，℃；a為熱量擴散率，m2/s；Q為加熱功率，W；H為有效孔深，m；λ為導熱系數，W/(m·K)；γ為歐拉系數，0.577 2；Rb為導熱熱阻，(m·K)/W；Tsur為土壤的初始溫度，℃；rb為孔的外徑，m。

1.4 地埋管換熱計算

規范中推薦了地埋管換熱計算的相關過程與公式[19-20]。首先，以式（4）～式（8）進行熱阻計算；其次，對地埋管的換熱進行計算[21]，其中夏季工況的平均換熱量如式（9）所示，冬季工況的單位換熱量如式（10）所示。

式中Rf為傳熱介質與U型管內壁對流換熱，(m·K)/W；di為U型管內徑，m；K為傳熱介質與U型管內壁對流換熱系數，W/(m2·K)；Rpe為地埋管的管壁熱阻，(m·K)/W；λp為地埋管導熱系數，W/(m·K)；d0為地埋管的外徑，m；de為地埋管的當量直徑，m；Rs為土壤/場地熱阻；λs為地層導熱系數，W/(m·K)；τ 為測試持續的時間，s；I為指數積分公式；Rb為鉆孔灌漿回填材料熱阻，(m·K)/W；λb為灌漿材料導熱系數，W/(m·K)；db為鉆孔的直徑，m。

式中Fc為制冷運行比例；Tc1為1個制冷季中熱泵機組運行小時數；Tc2為1個制冷季的小時數；qh為冬季工況下平均換熱量，W/m；qc為夏季工況下平均換熱量，W/m；tmax為設計最高進水溫度，℃；tH為全年土壤最高溫度，℃；tmin為設計最低進水溫度，℃；tL為全年土壤最低溫度，℃；Fh為供熱運行比例；Th1為1個供熱季中熱泵機組運行小時數；Th2為1個供熱季的小時數。

2 熱響應測試流程

2.1 施 工

確定測試井：對施工區域進行地質勘測與評估，并確定測試井位置及測試深度。最終確定地埋管換熱器的深度為100 m，經過勘測的測試井周圍地質分布如表1所示。

施工前期準備：施工準備階段按照流程進行地下換熱器的布置，地埋管采用雙U，DN25的高密度PE管，管內循環流體為水，鉆井尺寸160 mm，灌漿填料為原漿和黃砂回填。由于沙漠地區環境惡劣，風沙較大，為防止路面被風沙掩埋，采用推土機開辟 1條供運輸車輛進出的道路。采用柴油發電機提供各種設備所需的電能，另外在測試井旁開挖1個約12 m3的沙坑作為蓄水池，池底用塑料布鋪蓋防水。該水池可用來存儲鉆井、下管所用的循環水，用水由水罐車提供。

成井：使用鉆孔設備對測試井進行打孔，后將地下換熱器引入已打好的成孔中，保證下管深度。將回填料通過攪拌后返漿回填，保證回填料均勻密實，再進行水壓試驗，具體試驗步驟以規范要求為準[20]。

表1 項目所在地地質分布Table 1 Geological distribution of project location

2.2 運 行

將試驗平臺通電，將地埋管連接管和試驗設備相連，為防止試驗效果受到影響，需要將連接管進行保溫，并用篷布進行遮蓋，避免太陽直射。

根據規范要求[20]，本測試在地埋管換熱器安裝完畢72 h后進行。啟動循環水泵后，先進行巖土初始溫度的測試，測試時間從2017年7月24日11:49開始，共測試80 min，循環水平均流量為3.51 m3/h。而后，開啟電加熱器，對巖土平均導熱系數相關參數進行測試，測試時間為2017年7月24日13:11。表2給出了測試期間的天氣情況[22]，由于后期降雨的影響，本次熱響應測試時間共計41 h，在測試過程中每隔1 min進行1次數據采集。

表2 測試時段天氣情況[22]Table 2 Weather conditions within test time

2.3 測試方法

巖土初始溫度：測試開始之后，記錄測試時間內的地埋管進出口溫度，待進出水溫差趨于穩定，此時的進出口平均溫度即為巖土的初始溫度。

巖土平均導熱系數：啟動循環泵，當流速趨于恒定后，開啟電加熱器，平均加熱功率1.8 kW，正式開始測試試驗，并記錄地埋管換熱器進出口溫度。

3 測試分析

3.1 巖土初始溫度的確定

巖土初始溫度測試階段所采集的數據如圖 2所示，隨著測試時間的增加，進出口溫度趨于穩定，其進出口平均溫度也逐漸平穩在16.52 ℃左右，近似認為巖土的初始溫度即為16.52 ℃。

3.2 巖土平均導熱系數的確定

圖3a給出了地埋管進出口溫度，由其擬合出進出口平均溫度與對數時間的曲線如圖3b所示。對該曲線進行線性擬合，其線性擬合方程為式（13），其擬合的決定系數R2=0.968。由此可知公式（3）中的k值為1.267，進而計算出巖土平均導熱系數為1.12 W/(m·)℃，熱擴散系數為 8.271×10–7m2/s，土壤容積比熱容 1 354.129 kJ/(m3·K)。

圖2 土壤初始溫度走勢Fig.2 Trends of initial soil temperature

圖3 熱響應測試數據分析圖Fig.3 Data analysis diagrams of thermal response test

圖4 測試地區月均溫度變換情況Fig.4 Monthly average temperature changes of study region

3.3 溫度變化規律

考慮到沙漠地區晝夜溫差較大，可能會對換熱器的瞬時換熱造成影響，將熱響應測試期間地埋管進出口溫差瞬時變化情況由圖3c示出。從圖3c可看出，在測試的第 3個小時（24日 16:00），溫差達到第 1個高峰值（2.17℃）；在測試運行的第21個小時（25日10:31）溫差達到第2個高峰（2.27℃）；在測試運行第13個小時（25日02:19），溫差達到低谷（1.73℃）。

結合測試點地理位置及氣候條件分析，在 10:00左右，太陽逐漸升空，其太陽輻射強度逐漸增大[23-24]，沙漠的沙層溫度開始升高，恒功率加熱量中不再有熱量散失，進出口溫差不再降低，地埋管換熱量也不再降低；14:00—16:00時，地表溫度達到頂峰，與地埋管換熱器上部的換熱加強，換熱量增大。經過計算可得，測試期間進出口換熱平均溫差為1.91℃。

3.4 地埋管換熱量的計算

在換熱量計算中，根據寧夏地區氣候條件設置制冷模式、供熱模式進水溫度值：制冷模式為 30℃，供熱模式為10 ℃。根據式（9）和式（11）對2種換熱模式的平均換熱量進行計算，其中熱阻計算參數如表 3所示，最終的結果匯總于表4。

表3 熱阻計算參數Table 3 Thermal resistance parameters m·K·W–1

表4 不同換熱模式的換熱量匯總Table 4 Heat transfer in different modes of heat exchange

計算結果表明，沙漠源熱泵系統在制冷模式下運行時有較可觀的換熱量，在供熱模式下換熱量較小。因此在沙漠地區推廣沙漠源熱泵需要考慮到冬季換熱量較小的問題，需要添加輔助熱源。

3.5 與平原地區工程的對比

為分析沙漠地區熱響應測試數據和其他地區的差異，找出相同換熱器類型下，天津[25]、合肥[26]、綿陽[27]相關工程的巖土熱響應測試數據，并對這些數據和本次測試數據進行對比分析，結果匯總于表5。沙漠地區所測的平均巖土導熱系數較其他地區小，導致其換熱熱阻較大，其換熱能力較東部地區有所差距。結合圖3c和表6的信息，由于沙漠地區氣候條件較東部地區有差異，其夏季月平均最低溫度較低，間接影響了地埋管的瞬時換熱量，導致其地埋管的換熱沒有東部地區穩定。

表5 不同地區巖土導熱系數分析Table 5 Geotechnical thermal conductivity analysis in different areas

表6 測試地點夏季月平均氣溫情況[22]Table 6 Average monthly temperature of test location in summer ℃

4 運行方案探討

根據寧夏地區歷史月均氣溫變化情況，如表6和圖4所示，其夏季白天氣溫較高，夜晚溫度較低，晝夜溫差較大。因此在白天需要供冷，而夜晚需要供熱，來保證沙漠農業中農作物處于最適宜的生長條件。而冬季全天氣溫較低，需要持續供暖，但由于其供熱模式的換熱量較小，實際工程中需要增加其他熱源來輔助供熱。

綜合系統運行條件，針對夏季運行工況，設計了一種復合儲能式沙漠源熱泵系統，其系統運行圖如圖 5所示。該系統分為 2個子系統，水平換熱系統和豎直換熱系統。水平換熱系統[28-31]在白天和夜晚運行狀態不同，白天以供熱方式運行，循環換熱水為低溫水，與蓄熱水箱相連，目的是將白天地表的熱量提取并儲存后用于夜間取暖；夜間以制冷方式運行，循環換熱水為高溫水，與儲冷水箱相連，主要是將夜間地表冷量儲存用于白天輔助豎直換熱系統進行制冷。而豎直換熱系統全天以制冷工況運行，白天直接進行用戶端供冷，夜間與儲冷水箱相連，用于白天輔助豎直換熱系統進行供冷。

圖5 復合儲能式系統運行示意圖Fig.5 Hybrid energy storage system operation diagram

5 結 論

本文以寧夏某沙漠源熱泵項目為例，克服施工中的各項困難，在沙漠地區開展了巖土熱響應測試，并對測試數據進行對比分析。由于測試地區風沙大且無穩定水源，該項目的施工測試流程是針對沙漠地區特有的地質地貌和氣候條件所設計的。經過測試分析，得出當地巖土初始地溫為16.52℃，平均導熱系數為1.12 W/(m·)℃；經過計算，制冷模式地埋管換熱量為40.94 W/m，換熱能力較強。供熱模式地埋管換熱量為25.28 W/m，在實際應用中應當增加輔助熱源進行供熱。在實際應用中，沙漠地區在氣候條件以及系統運行策略上與平原地區存在較大差別，推廣沙漠源熱泵需要考慮沙漠地區特有的條件，復合儲能式沙漠源熱泵系統，為化解沙漠地區淺層地熱能的利用受限提供解決思路。

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