不同基巖地層條件下地埋管鉆孔熱響應特性及影響因素分析

蔡蕓 姚木申 盧寶 趙蘇民

摘要 針對不同基巖地層條件，開展地埋管鉆孔的現場熱響應試驗與地下換熱實驗，分析相關影響因素。結果表明，在目前地埋管鉆孔深度范圍內，初始平均地溫均高于年平均氣溫，且二者呈正相關關系;就基巖地區熱響應試驗而言，巖性差異在很大程度上決定了測試結果，其中巖石熱導率和熱擴散率大小順序為沉積巖（灰巖）> 變質巖 >火山巖（安山巖、玄武巖）。地埋管換熱量不僅受地層巖性、初始地溫、管內流體溫度等影響，而且還受地下水徑流作用影響。地下水流動性越強，對地埋管換熱的強化效應也越強。

關 鍵 詞 淺層地熱能;熱響應試驗;熱物性;換熱量

中圖分類號 TK529? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Thermal response tests （TRTs） and heat transfer tests of ground heat exchangers （GHEs） are performed under different rocky stratigraphic conditions， and the influencing factors are analyzed. Results show that within the current depth range of GHEs， the initial average ground temperature is always higher than the annual average ambient temperature， and there is a positive relationship between the two temperatures. The results of TRTs are obviously affected by the lithologic differences， and the thermal conductivity together with the thermal diffusivity of rocks in the work are as follows： sedimentary rock （limestone） > metamorphic rock > volcanic rock （andesite and basalt）. The heat transfer rate of GHEs is affected not only by stratigraphic and lithologic conditions， the initial ground temperature and the fluid temperature， but also by the groundwater flow conditions. The more rapid the groundwater flows， the stronger the enhanced effect on heat transfer becomes.

Key words shallow geothermal energy; thermal response test; thermal properties; heat transfer rate

0 引言

巖土體熱物性特征是地埋管地源熱泵系統設計的主要參考因素之一。在系統設計時，若對地埋管鉆孔換熱能力不了解，盲目地增加或者減少鉆孔數量，極易造成機組選型不合理，成本增加，大馬拉小車，或者導致用戶供熱制冷量不足，熱泵機組運行不穩定，從而影響系統的使用壽命。巖土體的熱物性特征受氣候條件、地質構造、巖性、水文地質條件等綜合影響，不同條件下表現特征各異。目前，現場熱響應試驗是獲得巖土體熱物性特征及地埋管換熱能力的主要技術手段，前人在此方面開展了較多理論與實驗工作[1-2]，但主要集中在第四系發育較厚的平原地區，較少涉及基巖地層。周世玉等[3]分析了重慶市基巖地質條件下測試時間對巖土熱物性結果的影響，建議測試時間宜大于60 h（單U）和50 h（雙U）。王松濤[4]等在山東威海環翠區開展了地埋管換熱試驗，對各類型地埋管換熱量進行了對比分析，其中地下12 m以淺為第四系松散沉積層，以下為元古代巖漿巖地層（以花崗巖為主）?；谏鲜霰尘?，本文更廣泛地在沉積巖、火山巖和變質巖等基巖地層上，開展地埋管換熱孔的現場熱響應試驗和換熱特性實驗，對不同類型巖土體熱物性參數進行計算對比，并分析其主要影響因素，旨在對含有基巖地層條件下的地埋管地源熱泵系統設計與優化提供一定的參考依據。

1 試驗概況

1.1 試驗鉆孔及地埋管

選取位于四川理塘、遼寧錦州、山東濟南和山東濰坊的4眼地埋管換熱鉆孔作為研究對象，分別命名為K1（100°17′E，29°58′N）、K2（121°04′″E，41°12′4N）、K3（117°10′E，36°38′N）和K4（119°05′E，36°37′N），海拔高度分別為4 080 m、180 m、159 m和51 m。

表1給出了試驗孔地層巖性特征及其地埋管的基本情況[5-8]。其中，K1地處甘孜藏族自治州西南部、橫斷山脈北段，試驗孔巖性上部為上更新統冰水堆積層（以砂、沙礫、泥礫和黏土為主），其下為三疊系上統侏倭組基巖（石英砂巖與板巖不等厚互層）。K2地處錦州市小凌河下游的錦凌水庫，屬于山地丘陵區，試驗孔巖性上部以第四系粉質黏土為主，下部為義山組安山巖。K3地處濟南市歷城區，屬于山前沖積平原區，試驗孔巖性上部為第四系松散堆積層，下部為灰巖地層。K4地處濰西南中低山丘陵區，試驗巖性上部多為第四系粉質黏土，下部為玄武巖和砂礫巖。

1.2 熱響應試驗

采用FTPT-11型現場熱響應測試儀進行（圖1）。測試儀主要由熱泵系統、電加熱器、補水箱、循環泵、循環管路、溫度和流量檢測元件等組成。其中，地埋管供、回水管及循環管路均布置有Pt1000型溫度傳感器，精度為±0.1 ℃，地埋管供水管處安裝電磁流量計，精度為±0.01 m3/h，用于測量管內循環流量。地埋管排熱量和取熱量測試采用恒溫法，巖土熱物性測試采用恒熱流法，加熱功率范圍為0～8 kW，可任意調節，符合國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366—2009）中的相關技術要求。

現場熱響應試驗的具體工作流程如下：1）首先進行初始地溫空載循環測試，當地埋管進出口溫度12 h內變化幅度小于0.5 ℃，且溫差小于0.2 ℃時，獲得巖土體初始平均溫度;2）采用恒熱流加熱工況，保證加熱功率和流量波動范圍在±1 %以內，每間隔1 min記錄回路中的流量和進出口溫度，直至溫度達到基本穩定（持續變化小于0.5 ℃/d）;3）進行夏季排熱工況試驗，排熱溫度設置在30～33 ℃左右;4）進行地溫恢復;5）進行冬季取熱工況試驗，取熱溫度設置在5～7 ℃左右。

1.3 數據處理

上述4組熱響應試驗的結果處理均采用了國標推薦的線熱源理論模型。該模型中，在持續的恒定排熱熱流作用下，地埋管的供回水平均溫度隨加熱時間的升溫變化可表述為[2]

式（1）可進一步簡化為

式中：[k]為[Tf-ln（t）]曲線的線性段變化斜率;[m]為直線截距;可分別計算如下：

式中：[Tf]為埋管內流體平均溫度，取進出口溫度的算術平均值;[Qheat]為加熱功率;[H]為垂直方向上地埋管深度;[λ]為巖土體平均熱導率;[a]為巖土體熱擴散系數;[t]為持續測試時間;[r]為試驗鉆孔半徑;[γ]為歐拉常數;[Rb]為鉆孔熱阻;[T0]為巖土體遠處未受擾動的溫度，即初始平均地溫。

巖土體熱擴散系數[a]計算公式為

式中：[ρ]為巖土體平均密度;[c]為巖土體比熱。

2 結果與討論

2.1 巖土初始平均溫度

巖土體初始平均溫度（或初始平均地溫）是淺層地熱能資源勘查評價與開發應用的關鍵參數之一，往往受地質構造、地層巖性和層序、地形地貌、地下水、太陽輻射、氣候條件等參數影響。圖2給出了4眼試驗孔的初始平均地溫與年平均氣溫的變化關系?？梢钥闯?，初始平均地溫均高于年平均氣溫，且就整體而言，在地埋管鉆孔深度范圍內，二者之間呈正相關變化。Wang等[9]對河北平原區域內的5眼100～120 m深地埋管試驗孔進行了初始平均地溫測試，結果滿足：[T0=0.928 8Ta+2.92]，其中[Ta]為年平均氣溫。但本文測試結果中，只有K3滿足Wang模型，其主要原因在于該鉆孔地處山前沖積平原區，與文獻[9]中試驗孔具有類似的地貌特征。K2和K4與Mohamed模型吻合良好[（T0=0.951Ta+4.514][10]，且二者均屬于山地丘陵地貌，這也暗示該模型與Wang模型的適用范圍有所差異。K1既不符合Wang模型，也不符合Mohamed模型，其主要原因在于該鉆孔地處高海拔山區。綜合對比可知，關于“初始平均地溫通常比年平均氣溫高2～3 ℃”的這一習慣說法，實質上是對于平原區而言的，并不適合于山地丘陵區和高海拔山區，不能一概而論。例如，對于K3，二者溫度差為1.9 ℃;對于K2和K4，二者溫度差增加至3.9 ℃;對于K1，二者溫度差高達8.6 ℃。此外，根據文獻[11]，青島市某100 m深地埋管鉆孔（沿海丘陵區，地下3.5 m以深為花崗巖地層），[T0]= 16.3 ℃，比[Ta]偏高4.0 ℃，符合Mohamed模型。根據文獻[5]，山東威海沿海丘陵區地埋管鉆孔[T0]= 16.3 ± 0.3 ℃，比[Ta]偏高4.2 ℃，符合Mohamed模型。根據筆者單位以往測試結果，北京延慶區某100 m深地埋管鉆孔（115°48.74′E，40°30.06′N），[T0]= 13.0 ℃，與[Ta]= 8.7 ℃相比，偏高4.3 ℃，符合Mohamed模型。

另一方面，初始平均地溫還與地質構造及其活動關系密切。例如，文獻[12]結果表明，雖然同屬于河北平原區，曹妃甸某地埋管鉆孔[T0]= 14.5 ℃，比[Ta]偏高3.1 ℃，更接近Wang模型，而衡水某地埋管鉆孔，由于地處地溫場異常區，[T0]= 16.9 ℃，比[Ta]偏高4.3 ℃，更接近Mohamed模型。由此可見，初始平均地溫與年平均氣溫之間的函數關系是因地而異的，需要區別分析。由于高海拔山區的測試點較少且公開文獻報導欠缺，本文尚無法給出適合的預測模型，這還有待于以后進一步數據積累與深入研究。

2.2 巖土熱物性參數

表2給出了4眼試驗孔的巖土熱物性參數測試結果。結果表明，K3的平均熱導率和熱擴散率最高，大于3 W/（m·K），其次為K1，介于2～3 W/（m·K）之間，而K2和K4相對較低，均小于2 W/（m·K），造成此差異的主要影響因素在于基巖巖性。如前所述，K3為沉積巖（灰巖），K1為變質巖，而K2和K4為火山巖（安山巖、玄武巖）。其中，較致密的灰巖熱導率通常在2.5～3.8 W/（m·K），略低于白云巖[13]，而K3熱導率為3.62 W/（m·K），顯然屬于高熱導率灰巖類型。

表3給出了K1鉆孔巖芯實驗室測試結果?？梢钥闯?，在垂直鉆孔方向上，隨著深度增加，巖石孔隙率呈逐漸降低趨勢，同時密度、熱導率和熱擴散率呈逐漸增加趨勢。巖樣的熱導率變化范圍1.56～3.08 W/（m·K），而平均熱導率測試值為2.14 W/（m·K），二者相對一致。在火山巖中，安山巖和玄武巖均屬于低熱導率類型。以玄武巖為例[13]，熱導率多在1.6～2.4 W/（m·K）。特別地，對于多孔狀玄武巖，由于氣孔發育較多，熱導率甚至可低至1.0 W/（m·K）以下。K4平均熱導率為1.40 W/（m·K），與上述變化范圍下限接近。表4給出了K2鉆孔巖芯實驗室測試結果?？梢钥闯?，安山巖樣的熱導率較低，變化范圍為1.26～1.60 W/（m·K），和K4差別不大。綜上可知，對于基巖地區地埋管鉆孔熱響應試驗而言，巖性差異在很大程度上決定了測試結果，是影響巖土體熱物性特征的關鍵因素之一。因此，在開展現場熱響應試驗的同時，適當采集巖芯樣品進行實驗室分析具有重要的實際指導意義，有助于形成更為完整合理的數據解譯。

2.3 單位延米換熱量

圖3給出了試驗孔的單位延米換熱量測試結果，其中K4鉆孔沒有開展換熱實驗，K3鉆孔沒有開展夏季排熱工況實驗?？梢钥闯?，就K1和K2鉆孔而言，二者地溫接近，但后者夏季換熱量略高于前者，冬季排熱量略低于前者。例如，K1和K2的冬季取熱量分別為24.6 W/m和22.3 W/m（供回水溫度分別為5 ℃和8 ℃），夏季排熱量分別為54.7 W/m和59.9 W/m（供回水溫度分別為30 ℃和25 ℃）。從鉆孔巖性上看，K1平均熱導率高于K2，但從水文地質條件上看，K1上部第四系厚度更大，且下部巖性為高壓下形成的變質砂巖和板巖，透水性較差。相比之下，K2上部第四系厚度僅6 m左右，下部安山巖多為破碎狀，大氣降水入滲補給作用強烈，地下水徑流作用強烈，有利于熱的傳遞和散失，因而相同工況下的夏季排熱量更高一些。對于K3，由于初始地溫（15.7 ℃）明顯高于K1（12.3 ℃）和K2（11.9 ℃），且鉆孔巖性為熱導率很高的灰巖（表2），因此其單位延米換熱量整體上高于K1和K2。例如，K3的冬季取熱量達到46.6 W/m（供回水溫度分別為5.9 ℃和9 ℃），比K1和K2分別偏高1.9倍和1. 1倍;夏季排熱量的預測值為66.8 W/m，比K1和K2分別偏高22%和12%。通常而言，地下水流動性越強，對地埋管換熱的強化效應越強。王松濤等[4]測試結果表明，當初始地溫16.7 ℃時，DN32雙U形地埋管的夏季排熱量達到105～128 W/m，冬季取熱量達到75～93 W/m，與此同時測試熱導率達到11.5 W/（m·K），而巖芯測試熱導率僅為2. 65 W/（m·K）（以黑云母花崗巖、角閃巖為主），這表明地下水流動不僅會使地埋管單位延米換熱量增加，還會影響到熱響應試驗結果。從此角度判斷，K2熱響應試驗結果為1.67 W/（m·K），而巖芯測試熱導率為1.26～1.60 W/（m·K），因此其地下水流動的強化傳熱效應遠弱于文獻[4]。

3 結論

1）在目前地埋管鉆孔深度范圍內，初始平均地溫均高于年平均氣溫，且二者呈正相關關系，其具體函數關系因地而異。其中，K2和K4滿足Mohamed模型，K3滿足Wang模型，而K1不滿足現有模型。

2）對于基巖地區地埋管鉆孔熱響應試驗而言，巖性差異在很大程度上決定了測試結果，是影響巖土體熱物性特征的關鍵因素之一。適當采集巖芯樣品進行實驗室分析，有助于形成更為完整合理的數據解譯。就本文結果而言，巖石熱導率和熱擴散率大小順序為沉積巖（灰巖）> 變質巖 > 火山巖（安山巖、玄武巖）。

3）地埋管換熱量不僅受地層巖性、初始地溫、管內流體溫度等影響，而且還受地下水徑流作用影響。地下水流動性越強，對地埋管換熱的強化效應越強，同時還會影響熱響應測試結果。此外，上部蓋層厚度較薄的地區，巖土體受氣候、水文循環等因素影響較大一些。

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[責任編輯 田 豐]