沙漠區(qū)巖土熱響應(yīng)測試分析及沙漠源熱泵系統(tǒng)運行策略

宋 偉，鄭湍峰，張華北，陳翔燕，劉 誠

（1. 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2. 江蘇盛世節(jié)能科技有限公司，連云港 222022）

0 引 言

中國淺層地?zé)豳Y源豐富，發(fā)展前景廣闊?！兜?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》闡述了地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)方針和目標(biāo)[1]，為“十三五”時期中國地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了基本依據(jù)?！耙粠б宦贰苯ㄔO(shè)中“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”沿線各國都存在豐富的地?zé)崮苜Y源，由于不同地質(zhì)條件的影響，淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用受到限制。沙漠地區(qū)光熱資源豐富，但由于其惡劣的自然條件，淺層地?zé)崮懿⑽吹玫綇V泛利用。近幾年來，中國積極在沙漠地區(qū)探索發(fā)展現(xiàn)代化、科技化農(nóng)業(yè)[2]，淺層地?zé)崮艿膽?yīng)用對發(fā)展沙漠農(nóng)業(yè)，特別是溫室大棚提供了更好的契機(jī)。

地源熱泵技術(shù)作為應(yīng)用淺層地?zé)崮艿闹匾绞?，在國?nèi)得到廣泛應(yīng)用[3]。由于巖土熱物性對鉆孔的數(shù)量和深度的確定均有較大影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)的投資與運行。其參數(shù)的不準(zhǔn)確性將導(dǎo)致設(shè)計的系統(tǒng)與實際負(fù)荷不匹配，從而不能充分發(fā)揮熱泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。因此，準(zhǔn)確確定巖土熱物性參數(shù)是地源熱泵設(shè)計的基礎(chǔ)[4-7]。

本文結(jié)合寧夏沙漠地區(qū)某沙漠源熱泵項目，開展巖土熱響應(yīng)試驗[8-9]，為沙漠地區(qū)熱泵技術(shù)的推廣提供借鑒。通過分析所得的巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)，對該沙漠地區(qū)項目的地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)計計算。通過與中國東部地區(qū)相關(guān)測試數(shù)據(jù)的對比，結(jié)合沙漠地區(qū)氣候條件分析系統(tǒng)運行策略，提出了一種適合在沙漠地區(qū)夏季運行的復(fù)合儲能式沙漠源熱泵系統(tǒng)。

1 熱響應(yīng)測試原理及計算方法

1.1 熱響應(yīng)測試原理

該項目采用恒熱流法進(jìn)行熱響應(yīng)測試[10-12]，即在地下溫度場穩(wěn)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(yīng)，通過流體溫度的變化規(guī)律，確定巖土的熱物性參數(shù)。

圖 1給出了熱響應(yīng)試驗測試的原理圖，在循環(huán)水泵的作用下，流體由地埋管出口(B)進(jìn)入測試系統(tǒng)，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(jīng)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(jìn)入地埋管換熱器中與巖土進(jìn)行換熱。

圖1 測試儀結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)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(dǎo)熱系數(shù)

巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)由熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)分析得出，其理論基礎(chǔ)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(dǎo)熱系數(shù)公式，如式（3）所示。由式（2）得到，地埋管平均換熱溫度與對數(shù)時間呈線性相關(guān)，其k值即為線性斜率，以此通過公式（3）求出巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)。

式中T?為平均溫度，℃；a為熱量擴(kuò)散率，m2/s；Q為加熱功率，W；H為有效孔深，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；γ為歐拉系數(shù)，0.577 2；Rb為導(dǎo)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(guī)范中推薦了地埋管換熱計算的相關(guān)過程與公式[19-20]。首先，以式（4）～式（8）進(jìn)行熱阻計算；其次，對地埋管的換熱進(jìn)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(zhì)與U型管內(nèi)壁對流換熱，(m·K)/W；di為U型管內(nèi)徑，m；K為傳熱介質(zhì)與U型管內(nèi)壁對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Rpe為地埋管的管壁熱阻，(m·K)/W；λp為地埋管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d0為地埋管的外徑，m；de為地埋管的當(dāng)量直徑，m；Rs為土壤/場地?zé)嶙?；λs為地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；τ 為測試持續(xù)的時間，s；I為指數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，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(jī)組運行小時數(shù)；Tc2為1個制冷季的小時數(shù)；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(shè)計最高進(jìn)水溫度，℃；tH為全年土壤最高溫度，℃；tmin為設(shè)計最低進(jìn)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(jī)組運行小時數(shù)；Th2為1個供熱季的小時數(shù)。

2 熱響應(yīng)測試流程

2.1 施 工

確定測試井：對施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)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(jīng)過勘測的測試井周圍地質(zhì)分布如表1所示。

施工前期準(zhǔn)備：施工準(zhǔn)備階段按照流程進(jìn)行地下?lián)Q熱器的布置，地埋管采用雙U，DN25的高密度PE管，管內(nèi)循環(huán)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(qū)環(huán)境惡劣，風(fēng)沙較大，為防止路面被風(fēng)沙掩埋，采用推土機(jī)開辟 1條供運輸車輛進(jìn)出的道路。采用柴油發(fā)電機(jī)提供各種設(shè)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(huán)水，用水由水罐車提供。

成井：使用鉆孔設(shè)備對測試井進(jìn)行打孔，后將地下?lián)Q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(jìn)行水壓試驗，具體試驗步驟以規(guī)范要求為準(zhǔn)[20]。

表1 項目所在地地質(zhì)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(shè)備相連，為防止試驗效果受到影響，需要將連接管進(jìn)行保溫，并用篷布進(jìn)行遮蓋，避免太陽直射。

根據(jù)規(guī)范要求[20]，本測試在地埋管換熱器安裝完畢72 h后進(jìn)行。啟動循環(huán)水泵后，先進(jìn)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(huán)水平均流量為3.51 m3/h。而后，開啟電加熱器，對巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(yīng)測試時間共計41 h，在測試過程中每隔1 min進(jìn)行1次數(shù)據(jù)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(nèi)的地埋管進(jìn)出口溫度，待進(jìn)出水溫差趨于穩(wěn)定，此時的進(jìn)出口平均溫度即為巖土的初始溫度。

巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)：啟動循環(huán)泵，當(dāng)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(jìn)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(shù)據(jù)如圖 2所示，隨著測試時間的增加，進(jìn)出口溫度趨于穩(wěn)定，其進(jìn)出口平均溫度也逐漸平穩(wěn)在16.52 ℃左右，近似認(rèn)為巖土的初始溫度即為16.52 ℃。

3.2 巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)的確定

圖3a給出了地埋管進(jìn)出口溫度，由其擬合出進(jìn)出口平均溫度與對數(shù)時間的曲線如圖3b所示。對該曲線進(jìn)行線性擬合，其線性擬合方程為式（13），其擬合的決定系數(shù)R2=0.968。由此可知公式（3）中的k值為1.267，進(jìn)而計算出巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.12 W/(m·)℃，熱擴(kuò)散系數(shù)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(yīng)測試數(shù)據(jù)分析圖Fig.3 Data analysis diagrams of thermal response test

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

3.3 溫度變化規(guī)律

考慮到沙漠地區(qū)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(yīng)測試期間地埋管進(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)到低谷（1.73℃）。

結(jié)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(qiáng)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(jìn)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(dá)到頂峰，與地埋管換熱器上部的換熱加強(qiáng)，換熱量增大。經(jīng)過計算可得，測試期間進(jìn)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(jù)寧夏地區(qū)氣候條件設(shè)置制冷模式、供熱模式進(jìn)水溫度值：制冷模式為 30℃，供熱模式為10 ℃。根據(jù)式（9）和式（11）對2種換熱模式的平均換熱量進(jìn)行計算，其中熱阻計算參數(shù)如表 3所示，最終的結(jié)果匯總于表4。

表3 熱阻計算參數(shù)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(jié)果表明，沙漠源熱泵系統(tǒng)在制冷模式下運行時有較可觀的換熱量，在供熱模式下?lián)Q熱量較小。因此在沙漠地區(qū)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(qū)工程的對比

為分析沙漠地區(qū)熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)和其他地區(qū)的差異，找出相同換熱器類型下，天津[25]、合肥[26]、綿陽[27]相關(guān)工程的巖土熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)和本次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果匯總于表5。沙漠地區(qū)所測的平均巖土導(dǎo)熱系數(shù)較其他地區(qū)小，導(dǎo)致其換熱熱阻較大，其換熱能力較東部地區(qū)有所差距。結(jié)合圖3c和表6的信息，由于沙漠地區(qū)氣候條件較東部地區(qū)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(dǎo)致其地埋管的換熱沒有東部地區(qū)穩(wěn)定。

表5 不同地區(qū)巖土導(dǎo)熱系數(shù)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(jù)寧夏地區(qū)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(nóng)業(yè)中農(nóng)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(xù)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(tǒng)運行條件，針對夏季運行工況，設(shè)計了一種復(fù)合儲能式沙漠源熱泵系統(tǒng)，其系統(tǒng)運行圖如圖 5所示。該系統(tǒng)分為 2個子系統(tǒng)，水平換熱系統(tǒng)和豎直換熱系統(tǒng)。水平換熱系統(tǒng)[28-31]在白天和夜晚運行狀態(tài)不同，白天以供熱方式運行，循環(huán)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(huán)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(tǒng)進(jìn)行制冷。而豎直換熱系統(tǒng)全天以制冷工況運行，白天直接進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行供冷。

圖5 復(fù)合儲能式系統(tǒng)運行示意圖Fig.5 Hybrid energy storage system operation diagram

5 結(jié) 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(qū)開展了巖土熱響應(yīng)測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。由于測試地區(qū)風(fēng)沙大且無穩(wěn)定水源，該項目的施工測試流程是針對沙漠地區(qū)特有的地質(zhì)地貌和氣候條件所設(shè)計的。經(jīng)過測試分析，得出當(dāng)?shù)貛r土初始地溫為16.52℃，平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.12 W/(m·)℃；經(jīng)過計算，制冷模式地埋管換熱量為40.94 W/m，換熱能力較強(qiáng)。供熱模式地埋管換熱量為25.28 W/m，在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)增加輔助熱源進(jìn)行供熱。在實際應(yīng)用中，沙漠地區(qū)在氣候條件以及系統(tǒng)運行策略上與平原地區(qū)存在較大差別，推廣沙漠源熱泵需要考慮沙漠地區(qū)特有的條件，復(fù)合儲能式沙漠源熱泵系統(tǒng)，為化解沙漠地區(qū)淺層地?zé)崮艿睦檬芟尢峁┙鉀Q思路。

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