豎直地埋管熱響應試驗與適宜性評價

童 欣 劉 媛 閻 波

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 引言

近年來，淺層地熱資源開發利用蓬勃發展，這種可再生的清潔能源廣泛應用于建筑空調系統。其中，地埋管地源熱泵系統的應用廣受關注，尤其是豎直雙U型地埋管，它具有占地面積小、可用范圍廣、換熱量大、性能穩定等優點，廣泛應用于工程實際中［1］。地埋管換熱系統的換熱能力對于熱泵系統節能效益至關重要，這主要反映在的巖土體熱物性參數上，尤其是地埋管換熱器深度范圍內導熱系數和比熱容。研究表明，導熱系數或導溫系數10%的誤差將導致4.5%～5.0%的地埋管設計長度誤差［2］，因此準確獲取熱物性參數對于勘察評價和工程設計起著決定性作用。常用的巖土體熱物性參數確定方法包括：查找地質手冊法、采樣室內試驗法、現場巖土熱響應試驗法［3］。第三種方法充分考慮現場環境，準確性較高，因此成為普遍使用的測量熱物性的方法［4］。實踐表明，恒熱流法是一種有效的熱響應實驗手段，試驗臺向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過溫度的變化規律，確定巖土體的各熱物性參數。恒溫法是近年來我國提出的新方法，它是采用熱泵建立穩定的地埋管換熱器運行工況，從而確定每延米地埋管換熱器的換熱能力的方法。兩種方法各有側重，且針對每種測試方法的研究應用也較為成熟。

為了更真實地獲得地埋管換熱器換熱性能，結合武漢某地塊地源熱泵項目，采用恒熱流法與恒溫法進行現場熱響應試驗，獲取巖土熱物性參數，并對該場地地埋管地源熱泵系統適宜性進行評價，以期為地源熱泵系統的優化設計提供參考。

1 項目概況

該項目位于武漢市某地區，屬亞熱帶大陸性季風氣候，具有四季分明、氣候溫和、雨量充沛的氣候特征。項目所處地貌單元為長江沖洪積二級階地，地勢整體上較平坦，根據本次勘察鉆探揭露，場區地層自上而下分別為：素填土（0～1.4 m）、粉質黏土（1.4～26.3 m）、粉細砂（26.3～38.0 m）、礫砂（38.0～40.0 m）、細中砂（40.0～58.2 m）、含卵礫石細砂（58.2～77.2 m）以及泥質粉砂巖（77.2～110.9 m）。地下水類型主要為上層滯水及孔隙承壓水，上層滯水賦存于填土層中，孔隙承壓水賦存于砂、礫石層中，主要接受大氣降水和地表水滲透補給，水量與周邊排泄條件密切相關。

2 試驗原理及設計

2.1 試驗原理

本項目采用了恒熱流法和恒溫法兩種測試方法：

1）恒熱流模擬試驗是向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過監測地埋管換熱器的進、出水溫度的變化和流量數據，對數據分析處理計算后得到巖土體的平均導熱系數。IGSHPA線源模型是目前普遍采用的主要計算模型，其表達式為：

式中：Tf（t）為進出水平均溫度，℃；ql為單位延米換熱量，W/m；λ為巖土體導熱系數，W/（m·K）；a為注漿料導溫系數，m2/s，細砂為1.1166 m2/s；r為鉆孔半徑，m；τ為加熱時間，s；γ為常數，0.5772；Rb為鉆孔內熱阻，m·K/W；T0為地層初始溫度，℃。

將地埋管換熱器進出水平均溫度與時間的試驗數據做成對數擬合曲線圖，得到：

進而根據曲線斜率k，求出導熱系數λ。

根據式（1）、式（3）得到測試孔熱阻：

2）恒溫法是采用熱泵維持恒定進水溫度，建立穩定的地埋管換熱器運行工況，根據Q=C·m·ΔT的關系式，結合供回水溫度溫差數據，確定每延米地埋管換熱器的換熱能力［5］。

2.2 試驗設計

本項目選取雙U管豎直埋管方式進行試驗，設計兩個測試孔R1和R2，其中R1孔取芯并記錄巖層情況，R2孔不取芯。成孔后，R1孔隨U型管埋設溫度探頭對場地巖土層溫度進行監測，共設置溫度探頭10組，埋設間距為10 m，測試孔及地埋管相關參數見表1、表2。

表1 試驗孔與地埋管相關參數

表2 地溫探頭監測數據

經測定，巖土初始平均溫度為18.89℃。

3 試驗結果與數據分析

3.1 巖土體初始平均溫度

為避免鉆孔施工對巖土初始溫度的影響，在鉆孔施工、下管回填密實靜置72 h后進行巖土熱響應測試工作。首先對R1、R2采用無功循環法測試巖土初始平均溫度，在只啟動循環水泵的情況下，監測進出口水溫的變化［6］。進而結合R1孔地溫探頭監測數據綜合分析，得到本地層巖土體平均初始溫度為18.63℃，如表3所示。

表3 巖土初始平均溫度 ℃

3.2 恒熱流法

對R1孔進行恒熱流法試驗，加熱功率設定為3 kW與6 kW，每個穩定工況的測試時間為48 h，設定流量為1.3 m3/h。采用IGSHPA線源模型，將地埋管換熱器進出水平均溫度與時間的試驗數據做成對數擬合曲線圖。如圖1、圖2所示，恒熱流法中的供回水平均溫度隨時間呈緩慢增加的趨勢，通過對數擬合曲線得到斜率系數k，反推出巖土體導熱系數λ：當恒定熱流為3 kW時，λ=2.017 W/m·K，Rb=0.158 m·K/W；當恒定熱流為6 kW 時，λ=3.766 W/m·K，Rb=0.183 m·K/W；加熱量由3 kW增至6 kW，巖土體導熱系數隨之變大。

圖1 3 kW恒定熱流測試結果與計算結果對比圖

圖2 6 kW恒定熱流測試結果與計算結果對比圖

綜合以上計算結果，該場地地層平均導熱系數為2.89 W/（m·K），綜合熱阻為0.171（m·K）/W。

3.3 恒溫法

R2孔采用恒溫法進行夏季運行工況測試，進水溫度設置為30℃、35℃，每個穩定溫度的測試時間為48 h，設定流量為1.3 m3/h。

圖3、圖4給出了在不同工況下進出水溫度變化的情況。從中可以看出，在測試開始運行至729 min后，地埋管換熱器出水溫度達到穩定工況，且隨著時間的增加，進出口溫度、流量基本為持平的狀態，故729 min后為有效數據。在此時間段內，地埋管測試孔的進水溫度均值30℃，出水溫度均值25.5℃，進出水溫差4.5℃，流量平均值1.3 m3/h，通過計算可得出每延米地埋管測試孔換熱量為61.47 W/m。同理，進水溫度35℃時，出水溫度均值29.9℃，出水溫度均值5.1℃，每延米地埋管測試孔換熱量為69.67 W/m。（見表4）隨著進水溫度的升高，單位孔深的換熱量增大，其主要原因是在夏季工況下，地埋管進水溫度與巖土體初始溫度溫差增大，導致流體與巖土體換熱加快，換熱效果增強。

圖3 30℃工況進出水溫度曲線

圖4 35℃工況進出水溫度曲線

3.4 對比分析

恒熱流法與恒溫法的熱響應試驗的結果見表3，R1孔夏季工況平均溫度為32.5℃（供回水溫度35～30℃）時釋熱能力為62.8 W/m，介于R2孔30～35℃工況之間，兩種測試方法獲得的地下換熱量基本一致。兩者在數據分析上各有側重，恒熱流法是國際上運用最為廣泛的試驗方法，有較為成熟的數據處理模型，根據溫度場，直接獲取巖土體的平均導熱系數。恒溫法可直接確定每延米地埋管換熱器的換熱能力，其計算模型簡單，能更真實的反應地埋管的換熱性能［7］。二者各有優勢，在實際工程應用中，建議采用兩種方法綜合分析。

4 適宜性評價

對于地埋管地源熱泵的適宜性分區主要考慮巖土體熱物性、水文地質條件以及巖土體可鉆性。

4.1 巖土體熱物性

1）熱響應試驗孔105 m以下淺地層平均初始溫度為18.63℃，與武漢地區年均氣溫相近，可作為場地巖土體初始平均溫度的參考。

表4 R1孔和R2孔測試結果一覽表

2）由恒熱流法得出：地層平均熱傳導系數為：2.89 W/（m·K），綜合熱阻為0.171（m·K）/W。本工程地點測試地埋管散熱能力，取熱能力均較好，適宜采用地埋管地源熱泵系統作為空調系統的冷熱源。

4.2 水文地質條件

場地上覆地層以第四系黏性土及粉細砂（局部含礫）為主，第四系厚度達77.2 m，局部含卵礫石細砂土，卵石層總厚度＜5 m。本場地含有豐富的地下水，孔隙承壓水賦存于砂、礫石層中，含水層厚度為50.9 m，短時間內的換熱效果也較好。根據豎直地埋管地源熱泵系統適宜性分區主要指標［8］（見表5），該場地為豎直地埋管地源熱泵系統較適宜性區。

表5 豎直地埋管地源熱泵系統適宜性分級

4.3 巖土體可鉆性

場地上覆第四系土層厚度大，卵石層較薄，下伏基巖為泥質粉砂巖，巖土體可鉆性較好，后期施工建議采用旋轉鉆引孔、潛孔鉆成孔的綜合施工工藝。

整體而言，本工程場地為地埋管較適宜地區。

5 結語

針對武漢某地區地源熱泵項目，分別采用恒熱流法和恒溫法對豎直雙U型地埋管試驗孔進行現場熱響應試驗，獲取了該場地的巖土熱物性參數。結合場地的水文地質條件以及巖土體可鉆性，得出該場地為豎直地埋管地源熱泵系統較適宜區，可為該區合理應用地源熱泵技術提供參考。

收稿日期：2018-05-02