均質(zhì)地層非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特征分析

孟甲,劉懷思，張茜,袁成軍,仝路,賈琛,姜福紅

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì),山東 濟(jì)寧 272100;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),山東 濟(jì)寧 272100;3.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

相比其他傳統(tǒng)能源，可再生能源顯示了較好的發(fā)展前景[1]，同時(shí)也越來越得到國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可，地?zé)崮苁强稍偕茉吹慕艹龃韀2]；淺層地溫能雖作為一種低品位熱源，但其在三類[3]地?zé)崮苤蟹植甲顬閺V泛，目前主要通過地源熱泵的形式進(jìn)行利用；按室外換熱方式不同地源熱泵系統(tǒng)可分為3類[4]:地埋管系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)，其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。地埋管地源熱泵的埋管方式分為水平埋管和豎直埋管，因?yàn)樨Q直地埋管換熱器比水平地埋管換熱器節(jié)省土地，更適合我國(guó)國(guó)情[5]，采用較為普遍的是豎直埋管[6]。豎直地埋管有多種形式[7]，目前開發(fā)利用工程常用的有單U型和雙U型。在豎直地埋管型淺層地溫能地下U 型埋管換熱器及其周圍回填材料和土壤傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程[9],管群設(shè)計(jì)的好壞直接影響工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性[10]，而巖土體中熱的傳導(dǎo)特征是管群排布時(shí)需要考慮的重要因素；以往相關(guān)研究中大多未對(duì)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)傳感器下置深度進(jìn)行論證[11-14]。

豎直地埋管傳熱模型目前主要分為無限長(zhǎng)線熱源模型[15]、無限長(zhǎng)圓柱熱源模型[16]和有限長(zhǎng)線熱源模型3種[17],該文以半無限大空間中有限長(zhǎng)熱源模型為基礎(chǔ)，對(duì)山東南部滕西平原侏羅系均質(zhì)碎屑巖地層中進(jìn)行的一系列熱響應(yīng)試驗(yàn)中的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特征進(jìn)行了分析，可為類似區(qū)域豎直埋管型淺層地溫能開發(fā)利用工程換熱孔排布、監(jiān)測(cè)孔內(nèi)傳感器布設(shè)等提供依據(jù)。

1 半無限大介質(zhì)中的埋管等溫線穩(wěn)態(tài)分布

據(jù)曾和義等[18]對(duì)豎直埋管地?zé)釗Q熱器的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行的分析研究可知,線熱源周圍溫度場(chǎng)的分布只與相對(duì)深度Z和相對(duì)半徑R相關(guān)。圖1是根據(jù)該研究?jī)?nèi)容繪制的豎直埋管周圍的等溫線圖，可以看出：穩(wěn)定狀態(tài)下，越靠近排熱埋管的位置，相同深度地余溫度越向下偏移。假設(shè)藍(lán)線為一深層中垂向過余溫度分布越明顯地呈現(xiàn)出兩端低中間高的特點(diǎn)，且R值越大，則最大過度等于線熱源長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)孔，其與線熱源所距相對(duì)半徑約為0.3，溫度隨深度增加，先后穿過數(shù)值為0.32407,0.64814,0.9722,1.2963,1.6203，1.2963的溫度等值線，監(jiān)測(cè)孔溫度最高值出現(xiàn)在下部藍(lán)點(diǎn)處，且溫度向點(diǎn)兩側(cè)降低；若監(jiān)測(cè)孔與線熱源相對(duì)半徑縮小，則監(jiān)測(cè)孔將穿過更多等值線，即孔內(nèi)溫度隨深度變化更為劇烈，且孔內(nèi)溫度高值點(diǎn)將越接近于監(jiān)測(cè)孔中點(diǎn)。

圖1 豎直埋管周圍等溫線圖[18]

2 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試

2.1 試驗(yàn)條件

TR10,TR11號(hào)孔位于滕西平原第四系覆蓋區(qū)東部，場(chǎng)地第四系厚度10～11m，巖性以粘土為主，下伏基巖為侏羅系泥質(zhì)粉砂巖，厚度大于400m,巖性均一；鉆孔直徑150mm，孔內(nèi)下入外徑32mm，壁厚3mm高密度聚乙烯材質(zhì)雙U管，管外混合回填原漿、中砂，鉆孔地層分布及熱物性參數(shù)見表1。兩孔深度均為120m，間隔2.0m(即：觀測(cè)孔距試驗(yàn)孔相對(duì)半徑R=2/120≈0.0167)，呈EW向分布(圖2)。

該次試驗(yàn)TR10號(hào)孔作為熱響應(yīng)試驗(yàn)孔、TR11號(hào)孔為地溫監(jiān)測(cè)孔，試驗(yàn)過程中，于TR10號(hào)孔使用FTPT1-1型地層熱響應(yīng)試驗(yàn)儀進(jìn)行，TR11號(hào)孔內(nèi)下置TD-016C型單總線溫度采集儀進(jìn)行地溫監(jiān)測(cè)，垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)距1～30m為5m間隔，30～120m為10m間隔，得到自然垂向地溫分布(圖3)，場(chǎng)地地溫于15m深度向下呈較均勻的梯度增長(zhǎng)，地溫梯度約2.6℃/100m。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地巖土垂向分布及熱物性參數(shù)

圖2 試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)孔剖面位置示意圖

圖3 自然地溫垂向分布曲線

2.2 試驗(yàn)方法及步驟

依規(guī)范[7,19],試驗(yàn)首先進(jìn)行雙U無負(fù)荷循環(huán)，求取地層初始平均地溫，之后開啟6kW恒功率制熱模式，排熱循環(huán)約48h后關(guān)閉儀器，恢復(fù)地溫，待地溫基本恢復(fù)至地層初始平均溫度后，開啟7℃恒溫排冷模式，單U試驗(yàn)與雙U試驗(yàn)步驟相同；在單、雙U熱響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行完畢后，對(duì)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔進(jìn)行了25d持續(xù)排熱試驗(yàn)。在此過程中對(duì)試驗(yàn)孔進(jìn)出水口溫度、加熱功率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，同時(shí)記錄觀測(cè)孔內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)頻率每小時(shí)1次。該次熱響應(yīng)試驗(yàn)3次加熱過程中，孔內(nèi)最高升溫均超過5℃，熱響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備測(cè)溫誤差為0.2℃ ，熱響應(yīng)測(cè)試各階段的試驗(yàn)孔內(nèi)最高溫升到儀器誤差20倍以上[20]。各階段排熱試驗(yàn)情況如表2所示。

表2 熱響應(yīng)試驗(yàn)排熱情況

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 地層熱感應(yīng)時(shí)間特征

試驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行單水泵雙U無負(fù)荷循環(huán)，該過程持續(xù)共90h，求得120m深度地層平均地溫為16.42℃，該溫度接近50m深度地層溫度；關(guān)機(jī)冷卻6h后開啟6kW排熱模式，由于無負(fù)荷循環(huán)階段將上部、下部地層熱量交換，對(duì)孔內(nèi)溫度造成擾動(dòng)，故以排熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，即第144h為計(jì)時(shí)起點(diǎn)進(jìn)行相鄰孔位間溫度感應(yīng)時(shí)間的計(jì)算(此處定義：自換熱孔內(nèi)事件發(fā)生時(shí)刻至周圍地層某觀測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生相應(yīng)變化時(shí)刻之間的時(shí)長(zhǎng)為熱感應(yīng)時(shí)間)。

表3為觀測(cè)孔不同深度感應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)的第210h，監(jiān)測(cè)孔內(nèi)60m，70m深度地溫最先開始轉(zhuǎn)折下降，故認(rèn)為該段時(shí)間為兩孔間的熱感應(yīng)時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)66h，該時(shí)長(zhǎng)與之后進(jìn)行的單U排熱試驗(yàn)感應(yīng)時(shí)間基本一致(圖4)。

表3 觀測(cè)孔不同深度熱感應(yīng)時(shí)間

圖4 試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線

3.2 地層溫度空間展布特征

該次試驗(yàn)過程中對(duì)監(jiān)測(cè)孔不同深度的溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，將不同排熱階段監(jiān)測(cè)孔各深度測(cè)點(diǎn)最高溫度減去地層初始自然溫度得各點(diǎn)瞬時(shí)最高過余溫度。如圖5所示，可以看出該次試驗(yàn)3次排熱過程中，當(dāng)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔排熱一段時(shí)間后的某一時(shí)刻，觀測(cè)孔內(nèi)溫度升高幅度隨深度增加呈先增后降的趨勢(shì)，且在約60m深度，即相對(duì)深度Z=0.5的位置過余溫度值達(dá)到最大，這一現(xiàn)象符合排熱豎直埋管周圍穩(wěn)態(tài)下的等溫線分布特征。

圖5 瞬時(shí)過余溫度曲線

4 結(jié)論

(1)在均質(zhì)地層中，持續(xù)排熱狀態(tài)下，埋管深度范圍內(nèi)溫度擴(kuò)散等溫面以中部向四周擴(kuò)散最快；結(jié)合排熱狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)等溫線分布特征分析，在擴(kuò)散過程中溫度等值面的前緣將向下移動(dòng)。

(2)在地質(zhì)條件一定的情況下，豎直地埋管的排熱影響半徑是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)值，其大小與排熱持續(xù)時(shí)間有正關(guān)性。

(3)豎直地埋管型地源熱泵合理井距的確定，應(yīng)綜合考慮工程要求的最長(zhǎng)排熱(冷)時(shí)長(zhǎng)情況下地埋管排熱(冷)對(duì)其周圍地層溫度影響，最終確定鉆孔排布方式和距離；建議魯中南一帶砂巖等弱透水、不透水地層豎直埋管間距不小于4m。

(4)在研究地埋管換熱影響范圍問題時(shí)應(yīng)對(duì)熱擴(kuò)散前緣的深度位置加以確定，優(yōu)先在觀測(cè)孔內(nèi)溫度擴(kuò)散前緣布置監(jiān)測(cè)設(shè)備。