現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗測試數(shù)據(jù)對比及應(yīng)用分析

摘 要：勘查評價淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)條件及換熱能力是高效開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源的關(guān)鍵基礎(chǔ)，對高效、可持續(xù)利用淺層地?zé)崮芷鹬e足輕重的作用。不同區(qū)域地質(zhì)條件千差萬別導(dǎo)致地下?lián)Q熱效果不同，目前現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，是地埋管地源熱泵系統(tǒng)區(qū)域調(diào)查評價和應(yīng)用項目場地勘查中，采用的重要勘查手段。通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗獲得地溫場初始地溫、巖土體的熱物性參數(shù)，計算得出每個地埋孔的換熱能力即換熱功率，可為評價地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)域的淺層地?zé)釗Q熱功率提供依據(jù)，指導(dǎo)地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計。本文主要對地層初始地溫、不同測試功能測試所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行了對比及應(yīng)用分析，對指導(dǎo)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗的科學(xué)合理應(yīng)用，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗;初始地溫;穩(wěn)定工況;穩(wěn)定熱流

中圖分類號：TU83? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0005-05

Abstract： Exploration and evaluation of shallow geothermal geological conditions and heat transfer capacity is the key basis for efficient development of shallow geothermal resources， which plays an important role in the efficient and sustainable utilization of shallow geothermal energy. Different geological conditions in different regions lead to different underground heat transfer effects. At present， in-situ thermal conductivity test is an important exploration method used in regional investigation and evaluation of buried pipe ground source heat pump system and site exploration of applied projects. The original ground temperature and thermal physical parameters of rock and soil are obtained by field thermal response test. Calculating heat transfer capacity of vertical ground heat exchanger. It can provide a basis for evaluating the shallow geothermal heat exchanger power in the suitable area of ground source heat pump system with buried pipes， and guiding the design of ground heat exchange system for ground source heat pump system with buried pipe. This paper mainly analyses the comparison and application of the data obtained from the original ground temperature and different test functions. It has important reference significance for guiding the scientific and rational application of field thermal response test.

Keywords： In-situ thermal conductivity test; Initial ground temperature; Steady working condition; Steady heat flow

0 前言

隨著綠色發(fā)展理念、加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)、清潔供暖戰(zhàn)略的提出，國家一系列規(guī)劃及鼓勵政策相繼出臺，使清潔環(huán)保、可再生的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，迎來了廣闊的發(fā)展前景。地埋管地源熱泵系統(tǒng)，因其不受地下水資源條件的限制、運行安全穩(wěn)定等優(yōu)點發(fā)展迅速。而地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的一個重點環(huán)節(jié)，設(shè)計目的是使地上、地下系統(tǒng)用能與資源條件相匹配，避免造成因地下設(shè)計不足使系統(tǒng)工作效率下降，甚至導(dǎo)致主機(jī)無法正常運行或設(shè)計偏大造成系統(tǒng)初期投資增加及土地資源的浪費。

如何通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗準(zhǔn)確地獲取巖土體換熱能力，成為國內(nèi)外研究的熱點。國外尤其歐美一些國家，對地埋管地下?lián)Q熱器換熱量測試設(shè)備的研究方面投入了大量的工作。早期的測試設(shè)備簡單的采用電加熱器模擬夏季工況向地下排熱，從而測試地埋管換熱器的換熱量，這種方法比較簡單。瑞典于1995 年研制了最早的地埋管換熱器測試儀 TED，該測試儀由一個 85L的水箱、一臺 1kW 的循環(huán)水泵和一臺 3～12kW 逐級調(diào)節(jié)的電加熱器組成。美國、加拿大、英國、德國、挪威、土耳其等國家，也相繼開發(fā)了功能及原理與瑞典開發(fā)的類似的測試裝置（畢文明等，2007）。后來許多國家研制了能夠模擬冬、夏兩個季節(jié)，即具有吸、排熱工況的測試設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界共有約 32 個國家開展了熱響應(yīng)測試的研究與應(yīng)用工作，主要分布于歐洲、北美洲和亞洲，測試儀器的形式有拖車式、手提箱式、整體集裝箱式、分體式等。大部分的熱響應(yīng)測試方法采用的是單一放熱工況，主要是因為排熱工況更容易實現(xiàn)。中國、德國、荷蘭等國探索采用了放熱與取熱雙工況的測試方法，約占統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的10%（沈亮等，2016;李鵬等，2019）。雙工況測試一般用一臺熱泵取代了原來的電加熱裝置。隨著研究的深入和實踐的發(fā)展，國內(nèi)地勘單位對地下?lián)Q熱系統(tǒng)換熱能力方面的研究取得一些成果，測試設(shè)備研制不斷完善，已相繼研發(fā)出幾代設(shè)備和計算軟件。北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局參與編寫的地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》（DZ/T 0225—2009）中，給出了根據(jù)地埋管換熱器傳熱系數(shù)計算單孔換熱功率的方法，另外，結(jié)合多年的研究成果參與編寫的北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（DB11/T 1253—2015）中提出了巖土熱響應(yīng)試驗的內(nèi)容和技術(shù)要求，包括巖土初始平均溫度測試的方法，穩(wěn)定熱流、穩(wěn)定工況測試的要求等，進(jìn)一步指導(dǎo)并規(guī)范了行業(yè)發(fā)展。

1 測試原理及主要功能

現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗測試儀的水路循環(huán)部分與所要測試的地埋管換熱器相連接，形成閉式環(huán)路，通過儀器內(nèi)的循環(huán)水泵驅(qū)動環(huán)路內(nèi)的水不斷循環(huán)，測試儀能夠提供一個能量穩(wěn)定的且可調(diào)節(jié)的熱（冷）源，提供的熱（冷）量通過循環(huán)水，傳導(dǎo)給地埋管換熱器，最終釋放到大地或從地下吸熱。運行過程中，測試儀記錄地埋管換熱器的進(jìn)出水溫度、循環(huán)水流量以及加熱功率等參數(shù)。

目前，國內(nèi)測試設(shè)備按照運輸形式大致分為便攜式（如柜式）和車載式，按照測試功能大致分為穩(wěn)定熱流型和穩(wěn)定工況型。這些設(shè)備大多采用電加熱器，有些采用風(fēng)冷熱泵或者風(fēng)冷熱泵和電加熱器聯(lián)合作為循環(huán)系統(tǒng)冷熱源，向地埋管換熱器提供穩(wěn)定的熱量或者建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運行工況，地下巖土體對熱量的響應(yīng)情況反映到地埋管換熱器進(jìn)、出水溫度的變化，系統(tǒng)中的流量是已知的，從而計算獲得地埋孔的熱物性參數(shù)、換熱能力等相關(guān)參數(shù)。

2 不同測試功能所得數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

現(xiàn)場熱響應(yīng)測試可分為巖土初始平均溫度測試，穩(wěn)定熱流、穩(wěn)定工況熱響應(yīng)測試。測試結(jié)果是特定、復(fù)雜的地質(zhì)條件下，包含著多種巖土體在溫度梯度和水力梯度共同作用下的的熱傳導(dǎo)和熱對流影響的綜合參數(shù)。

2.1 巖土體初始地溫測試

理論上定義巖土體初始平均溫度為從自然地表下10～20m至地埋管換熱器埋設(shè)深度范圍內(nèi)，巖土體常年恒定的平均溫度。實際測試中則以測試孔中地埋管換熱器長度內(nèi)的平均溫度表示巖土體初始平均溫度，這也造成不同測試時間測試結(jié)果可能存在較小的誤差。初始地溫直觀反映了當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性及換熱效果。

淺層地?zé)崮艹跏嫉販販y試的方法，包括埋設(shè)傳感器、無功循環(huán)法、水溫平衡法。布置傳感器法可根據(jù)傳感器埋設(shè)位置的不同，分為勘查測試孔的地埋管外埋設(shè)或單獨埋入常溫監(jiān)測孔中，較為常用的是在地埋管不同深度埋設(shè)溫度傳感器，通過實時監(jiān)測溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)值，計算每個溫度傳感器測量值的算術(shù)平均值作為其所在地層的溫度值，再計算所有地層溫度值的算術(shù)平均值或按地層的加權(quán)平均值得到地層的初始溫度。無功循環(huán)是指在不向地埋管加載冷、熱量的情況下，使水在地埋管內(nèi)循環(huán)，在循環(huán)水的溫度達(dá)到穩(wěn)定時，此時循環(huán)水與巖土達(dá)到熱平衡，該溫度即可代表巖土體初始平均溫度。水溫平衡法（參考技術(shù)規(guī)范DB11/T 1253—2015）是工作實踐發(fā)展過程中總結(jié)的新方法，地埋管安裝完成足夠時間后，管內(nèi)的水與巖土體的溫度達(dá)到平衡，此時通過水泵循環(huán)將PE管內(nèi)的水泵出，計算不同深度流到出口的時間，同時監(jiān)測水溫的變化，分析巖土體溫度的方法。經(jīng)過試驗驗證，3種方法測試結(jié)果非常接近，均可認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

以北京市通州區(qū)某試驗基地為例，分析初始地溫不同測試時間、不同測試方法的情況下得到的結(jié)果。該試驗基地地處涼水河北側(cè)，第四系深度500～600m，屬于永定河、潮白河沖洪積扇的中下部，含水層層多而薄?；噩F(xiàn)有建筑面積約400m2，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖。在換熱布孔區(qū)域外，布設(shè)有一眼150m深的常溫觀測孔，在孔內(nèi)埋深1m、2m、3m、5m、7m、10m、25m、40m、60m、80m、100m、120m、130m、140m、150m的位置埋設(shè)有溫度傳感器。監(jiān)測時間取2015年1月至2016年9月底。從不同深度的監(jiān)測數(shù)據(jù)可見（圖1），1m、2m、3m、5m處地溫隨季節(jié)變化而變化，7m處的地溫全年基本不變，可以說7m以上為變溫帶。7m以下各點的地溫基本保持不變。變溫帶1m處最高溫度出現(xiàn)在2016年8月，最低溫度出現(xiàn)在2016年3月。將最高地溫日不同深度監(jiān)測的地溫值加權(quán)平均后，得到整個孔的初始地溫為15.62℃。最低地溫日的不同深度監(jiān)測的地溫值加權(quán)平均后得到整個孔的初始地溫為15.25℃，此地區(qū)不同季節(jié)初始地溫相差不大。主要是因為此地區(qū)變溫層較薄，在5～7m之間，加權(quán)平均后對整個孔初始地溫影響可以忽略不計。因此，在這種地溫場分布的情況下，熱響應(yīng)測試的結(jié)果可忽略測試季節(jié)的影響。

在該基地我們還對120m深的標(biāo)準(zhǔn)孔，采用了無功循環(huán)法測試初始地溫為14.6℃。同時計算了冬、夏兩個時間的常溫觀測孔溫度傳感器監(jiān)測的溫度加權(quán)平均值，得到的平均地溫值為15.08℃（表1）。布設(shè)溫度傳感器法和無功循環(huán)法測試結(jié)果非常接近，均可認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

目前，初始地溫測試比較常用的是無功循環(huán)法。北京平原區(qū)大部分地區(qū)初始地溫約為14℃～16℃。但在斷裂構(gòu)造帶附近溫度較高，如小湯山地區(qū)可達(dá)21℃左右（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2018），立水橋東小口地區(qū)可達(dá)18℃左右，說明地下熱源對淺層地溫場的影響作用明顯。而在琉璃河、后沙峪地區(qū)溫度較低，約為12℃～13℃。分析認(rèn)為主要原因是后沙峪地區(qū)熱儲埋藏較深，蓋層厚不利于地下熱量的向上傳導(dǎo)。另外，地下水徑流條件好的地區(qū)淺層地?zé)崮艹跏嫉販匾草^低。影響初始地溫的因素較多，還包括地層結(jié)構(gòu)等。不同地區(qū)應(yīng)在場地勘查時分別測試初始地溫，了解淺層地?zé)崮艹跏嫉馁Y源條件。根據(jù)不同地區(qū)試驗測試數(shù)據(jù)分析，冬季地埋管延米換熱量隨著初始地溫增高而提高，說明初始地溫較高的地區(qū)有利于取熱（圖2）。

同時，初始地溫高則不利于夏季排熱。以順義區(qū)某處的測試數(shù)據(jù)為例（表2），項目區(qū)位于潮白河沖積扇中下部，通過測試可得出地層初始平均溫度均隨測試孔深度的增加而升高，夏季工況下的排熱量隨著初始溫度增加而減少，每增加一度每延米排熱量減少約10%。

2.2 穩(wěn)定熱流與穩(wěn)定工況測試

由于原2005年發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 0366—2005）缺少換熱試驗的條文，在實際應(yīng)用中比較混亂，常以不考慮換熱溫差的每延米換熱量作為設(shè)計依據(jù)，因此在2009年修編版中增加了巖土熱響應(yīng)試驗的內(nèi)容，要求采用穩(wěn)定熱流的測試方法，用傳熱模型反算推導(dǎo)出巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)。隨著測試設(shè)備的不斷研發(fā)完善，出現(xiàn)了采用穩(wěn)定工況的測試。穩(wěn)定工況測試是通過建立穩(wěn)定的地埋管換熱器夏季或冬季運行工況，即人為設(shè)定進(jìn)水溫度，當(dāng)出水溫度相對穩(wěn)定后，直接計算換熱能力的方法。這種方法不需要復(fù)雜的模型計算，直接通過傳熱學(xué)公式得到延米換熱量，作為地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)。

如果變溫層較薄，季節(jié)變化對初始地溫影響可忽略的情況下，穩(wěn)定工況較穩(wěn)定熱流法更能簡單直接地給出地層的換熱量。但是如果不同季節(jié)的初始地溫相差較大，或測試孔深度較淺，變溫帶對整個孔的溫度影響較大，即測試時的進(jìn)出水溫度與地層初始溫度的差值與實際運行時是不同的，則穩(wěn)定工況的測試時間將影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。建議此種情況下采用穩(wěn)定熱流法測試得到巖土體熱物性參數(shù)來指導(dǎo)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計。由此可見地層初始地溫對地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的換熱量影響較大，區(qū)域調(diào)查掌握一個地區(qū)的地溫場分布特征是指導(dǎo)工程應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，不可忽視。

3 傳熱系數(shù)在淺層地?zé)崮芸辈樵u價中的應(yīng)用

淺層地?zé)崮苜Y源分布狀態(tài)、可利用資源量（即換熱功率）、運移規(guī)律等均受地質(zhì)條件及巖土體固體顆粒部分的導(dǎo)熱性能的制約。早期行業(yè)內(nèi)是以現(xiàn)場熱響應(yīng)測試得到延米換熱量作為設(shè)計地埋管總長度的依據(jù)，但隨著實踐的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)不同加熱功率所得到的延米換熱量不同。在理論分析及實測結(jié)果的基礎(chǔ)上，國土資源部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》中提出了傳熱系數(shù)的概念。地埋管換熱器的傳熱系數(shù)是指單位長度地埋孔，單位溫差（即地埋管內(nèi)流體的平均溫度與地層初始溫度的差）的換熱功率，通過穩(wěn)定熱流法或穩(wěn)定工況法可得到的參數(shù)。

通過綜合比較不同測試孔的傳熱系數(shù)，地埋管換熱孔每延米換熱量是管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)平均溫度與地層初始溫度間溫差的函數(shù)，它隨著管內(nèi)外溫差的加大而增加，不是固定值。以順義區(qū)某測試項目為例，該測試采用了穩(wěn)定工況的方式，設(shè)備供水溫度約35℃，回水溫度約33℃，不同深度測試孔地層初始溫度不同，設(shè)備供、回水溫度平均值與地層初始溫度之差不同，計算所得的傳熱系數(shù)不同，如圖3所示。

傳熱系數(shù)理論上換熱孔每延米熱阻的倒數(shù)，在加熱時間較長時其基本不變，如果同一個孔加熱功率不同，所測得的傳熱系數(shù)基本相同。傳熱系數(shù)可作為地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計的靜態(tài)依據(jù)，可用它來描述換熱孔的換熱能力（楊俊偉等，2011）。目前行業(yè)內(nèi)普遍采用傳熱系數(shù)的方法計算設(shè)計工況下的換熱量，從而計算地埋管總長度。

4 結(jié)論與建議

地層初始地溫是淺層地?zé)崮苜Y源條件的重要指標(biāo)，決定著淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用合理性和經(jīng)濟(jì)性，不同測試方法得到的數(shù)據(jù)均可用。傳熱系數(shù)是基于公式推導(dǎo)和大量測試數(shù)據(jù)驗證，得到的一個綜合反映地下?lián)Q熱能力、管材、回填材料、運行工況等因素的綜合參數(shù)，可用于推導(dǎo)不同換熱溫差下單孔的換熱功率，為計算地下?lián)Q熱系統(tǒng)總長度提供靜態(tài)的依據(jù)，對評價勘查成果、指導(dǎo)工程實踐具有重要的指導(dǎo)意義。

建議在實際工程應(yīng)用中地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)充分收集區(qū)域內(nèi)的地溫場分布特征，在現(xiàn)場熱響應(yīng)測試的基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)計地下?lián)Q熱系統(tǒng)的埋管長度。同時綜合分析供能需求、場地可布孔面積、鉆孔成本與換熱量的最佳平衡點等因素，使淺層地?zé)崮苓_(dá)到最高效合理的利用。

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