淺層巖土體原位熱響應(yīng)測(cè)試

摘 要

摘要：介紹了巖土體原位熱響應(yīng)測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理，建立了基于線熱源模型的熱物性參數(shù)計(jì)算模型。結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)行了巖土體初始平均溫度測(cè)試、地埋管熱響應(yīng)測(cè)試。擬合流體平
摘要：介紹了巖土體原位熱響應(yīng)測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理，建立了基于線熱源模型的熱物性參數(shù)計(jì)算模型。結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)行了巖土體初始平均溫度測(cè)試、地埋管熱響應(yīng)測(cè)試。擬合流體平均溫度與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系曲線，求得了巖土體的熱導(dǎo)率、鉆孔熱阻。
關(guān)鍵詞：熱響應(yīng)測(cè)試；熱物性參數(shù)；巖土體；線熱源模型；土壤源熱泵；地源熱泵
In-situ Thermal Response Test of Shallow Soil and Rock
NIU Dinghui，YANG Xiankang，RUAN Ga0，CHEN Xing
Abstract：The structure and measurement principle of in-situ thermal response tester of shallow soil and roek are introduced.The model for calculation of thermophysical parameters based on the line heat source model is established.The initial average temperature test of soil and rock as well as the thermal response test of buried pipe are performed with an engineering example.The thermal conductivity of soil and rock and the thermal resistanee of boreholes are obtained by fitting the relation curve between average fluid temperature and time logarithm.
Key words：thermal response test；thermophysical parameter；soil and rock；line heat source model；soil source heat pump；ground source heat pump
1 概述
    隨著大量消耗化石燃料帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，具有節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)的地源熱泵技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1～2]。其中的土壤源熱泵技術(shù)以其溫度穩(wěn)定、對(duì)周圍環(huán)境影響較小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的重視。
    在對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要知道巖土體的熱物性參數(shù)。如果得到的熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則可能導(dǎo)致地下熱交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模太小，達(dá)不到需要的空調(diào)負(fù)荷；也可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模太大，加大了造價(jià)。因此需要準(zhǔn)確地測(cè)定巖土體的熱物性參數(shù)，主要包括熱導(dǎo)率和熱阻，從而計(jì)算地層的傳熱性能，合理設(shè)計(jì)地下熱交換系統(tǒng)[3]。原位熱響應(yīng)試驗(yàn)的目的在于獲得巖土體的綜合熱物性參數(shù)，了解巖土體的換熱能力，為土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以保障系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行與節(jié)能。
2 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理
    目前的測(cè)試裝置均是以擾動(dòng)-響應(yīng)的方式來推算地下的換熱情況和巖土體熱物性參數(shù)。本次試驗(yàn)的測(cè)試裝置是中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院研制的GP系列測(cè)試儀(GP-2)，測(cè)試儀外觀見圖1，測(cè)試儀結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理見圖2。GP-2測(cè)試儀的測(cè)試原理：在鉆孔中埋設(shè)U型管并回填[4]，使U型管與測(cè)試儀管路連接，形成一個(gè)閉合回路。在循環(huán)水泵的作用下，水通過電加熱器加熱升溫后進(jìn)入U(xiǎn)型管，將熱量傳遞給周圍的巖土體，最后流回到測(cè)試儀中。通過測(cè)試，獲得U型管的進(jìn)、出水溫度和流量，用以計(jì)算巖土體的熱物性參數(shù)。

3 熱物性參數(shù)計(jì)算模型
    參考相關(guān)文獻(xiàn)[5～6]，測(cè)試數(shù)據(jù)采用線熱源模型進(jìn)行處理，因?yàn)槠浜?jiǎn)單且具有足夠的精度[1]。在使用該模型時(shí)作如下假設(shè)：
   ① 埋管周圍巖土體中熱量的傳遞只沿水平方向而忽略深度方向[7]。
   ② 埋管內(nèi)的流體在軸向不發(fā)生熱量傳遞，傳遞只發(fā)生在徑向。
   ③ 巖土體被看作初始溫度均勻的半無限大介質(zhì)。
   ④ 巖土體的熱物性均勻，且不隨溫度變化。
   ⑤ 忽略巖土體內(nèi)水分遷移帶來的影響。
   ⑥ 地表溫度保持不變，恒等于無窮遠(yuǎn)處的溫度，即巖土體初始溫度。
   ⑦ 埋管與周圍巖土體的熱流密度維持不變(可以通過控制加熱功率實(shí)現(xiàn))。
根據(jù)線熱源理論，埋管內(nèi)流體的平均溫度計(jì)算式為：
 
式中Tf——埋管內(nèi)流體的平均溫度(取進(jìn)水與出水溫度的平均值)，K
    Φ——電加熱管的加熱功率，W
    λ——巖土體的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    H——鉆孔深度，m
    t——系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，s
    a——巖土體熱擴(kuò)散率，m2/s
    rb——鉆孔半徑，m
    γ——歐拉常數(shù)，為0.5772
    Rb——鉆孔熱阻，m·K/W
T0——巖土體的初始溫度，K
 
式中ρ——土壤密度，取1800kg/m3
    c——土壤比熱容，取1200J/(kg·K)
加熱功率恒定時(shí)，式(1)可簡(jiǎn)寫為線性形式，即：
 
    利用測(cè)試數(shù)據(jù)繪出Tf隨㏑t的變化曲線，求得曲線斜率m、截距b，根據(jù)式(2)、(4)、(5)求出巖土體熱導(dǎo)率λ和鉆孔熱阻Rb。
4 測(cè)試與計(jì)算實(shí)例
    以山西省長(zhǎng)治縣經(jīng)濟(jì)適用住宅小區(qū)土壤源熱泵工程為例，于2010年8月15日—19日分別對(duì)1口單U型管井和1口雙U型管井進(jìn)行了連續(xù)48h的熱響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試小區(qū)地層上部為松散第四系，深度方向100m以內(nèi)以素填土和粘土為主，下部為基巖，包括粉質(zhì)砂巖、粉質(zhì)泥巖以及風(fēng)化泥巖。埋管采用PE管，外直徑為32mm，內(nèi)直徑為26mm。測(cè)試井參數(shù)見表1。
表1 測(cè)試井參數(shù)
測(cè)試井
埋管深度/m
鉆孔直徑/mm
回填材料
加熱功率/W
流量/(L·h-1)
單U型管井
100
108
黃沙
3300
800
雙U型管井
100
108
黃沙
6890
1300
   ① 巖土體初始平均溫度測(cè)試
   在進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)之前，使流量為2300L/h的水在閉合回路中循環(huán)30～50min，此時(shí)電加熱器關(guān)閉，測(cè)試這段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)、出水溫度。待進(jìn)、出水溫度穩(wěn)定后，取進(jìn)、出水溫度的平均值作為巖土體的初始平均溫度。測(cè)得的單U型管井和雙u型管井的進(jìn)、出水溫度見圖3。由此可以確定試驗(yàn)時(shí)巖土體的初始平均溫度為14.61℃。
   ② 地埋管熱響應(yīng)測(cè)試
   對(duì)單U型管井和雙U型管井均進(jìn)行了熱響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)保持每口井的加熱功率和供水流量穩(wěn)定，分別記錄48h的進(jìn)、出水溫度。進(jìn)、出水溫度的時(shí)間響應(yīng)曲線見圖4。由圖4可知，經(jīng)過一段時(shí)間后，地埋管的進(jìn)、出水溫差基本穩(wěn)定，表明地下?lián)Q熱已基本達(dá)到了平衡。此時(shí)計(jì)算得單、雙U型管的平均換熱量分別為47.59、86.44W/m。
 

③ 巖土體熱導(dǎo)率、鉆孔熱阻的計(jì)算
    待地埋管進(jìn)、出水溫差穩(wěn)定后，擬合其平均溫度Tf與時(shí)間對(duì)數(shù)㏑t的關(guān)系曲線，見圖5。單U型管井?dāng)M合曲線公式為Tf=1.866 8㏑t+4.0142，雙U型管井?dāng)M合曲線公式為Tf=3.1964㏑t-5.5206，可得擬合曲線的斜率和截距。
    由式(4)計(jì)算得到單、雙u型管井的巖土體熱導(dǎo)率分別為2.030、2.152W/(m·K)，雙U型管井的巖土體熱導(dǎo)率比單U型管井增大了約6%。由此可見，埋深相同時(shí)，雙U型管井的巖土體熱導(dǎo)率高，且換熱面積大，與巖土體換熱更充分，換熱效果更理想。計(jì)算可得測(cè)試小區(qū)巖土體平均熱導(dǎo)率為2.091W/(m·K)，與該地區(qū)的熱導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)值1.9W/(m·K)比較吻合。
    由式(2)、(5)計(jì)算得到單、雙U型管井的鉆孔熱阻，進(jìn)而得到測(cè)試小區(qū)的平均鉆孔熱阻Rb=0.074m·K/W。
 

5 結(jié)論
    ① 根據(jù)線熱源模型，計(jì)算得到測(cè)試小區(qū)巖土體的平均熱導(dǎo)率為2.091W/(m·K)，與經(jīng)驗(yàn)值1.9W/(m·K)比較接近，可知該測(cè)試儀系統(tǒng)具有一定的精度，可以為設(shè)計(jì)提供參考。
    ② 雙U型管井的巖土體熱導(dǎo)率大，且雙U型管換熱面積大，換熱更充分，因此相同埋深的雙U型管換熱能力優(yōu)于單U型管。
    ③ 通過巖土體熱響應(yīng)測(cè)試，較準(zhǔn)確地測(cè)定了巖土體的熱物性參數(shù)，為合理設(shè)計(jì)地下熱交換系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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(本文作者：牛定輝 楊先亢 阮高 陳星 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院 湖北武漢 430074)