地源熱泵巖土熱響應(yīng)測(cè)試分析及應(yīng)用

李鵬翔，陳 勝>

(中國地質(zhì)大學(xué) 新校區(qū)建設(shè)指揮部,湖北 武漢 430074)

1 引 言

構(gòu)建多元化的能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)清潔可再生的能源是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。淺層地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉?，具有分布廣泛、清潔環(huán)保、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，是一種重要的替代性能源[1,2]。在各種可用于地?zé)崮懿杉瘧?yīng)用的技術(shù)與方法中，地源熱泵系統(tǒng)被認(rèn)為是一種高效、優(yōu)勢(shì)的方法。

近年以來，地源熱泵在我國已經(jīng)成為一種低碳環(huán)保的重要制冷供熱系統(tǒng)，使用面日益廣泛[3]。地源熱泵系統(tǒng)將地下巖土體或含水層作為一種環(huán)境友好且可持續(xù)的加熱和冷卻源，具有相對(duì)較低的二氧化碳排放量和環(huán)境成本。因其穩(wěn)定性、效率和清潔度的優(yōu)勢(shì)而發(fā)展迅速，越來越多的公共和民用建筑使用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖/制冷，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)在新校區(qū)建設(shè)中，也將地源熱泵系統(tǒng)作為綠色清潔能源的重要部分，大力踐行學(xué)校“美麗中國、宜居地球”發(fā)展戰(zhàn)略。但是，地源熱泵制冷供熱系統(tǒng)的應(yīng)用也出現(xiàn)了一些問題，例如制冷供熱效果不好，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用高，COP值較低等[4]。探究其主要原因，是因?yàn)闇y(cè)試出來的地下巖土體熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確或代表性差[5]。

本文通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)和量化分析，充分掌握了中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)新校區(qū)區(qū)域的巖土熱物性參數(shù)，為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了依據(jù)。

2 測(cè)試背景

測(cè)試場(chǎng)地位于武漢市東湖國家自主創(chuàng)新示范區(qū)未來科技城左嶺鎮(zhèn)快嶺村，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為1 100 mm，主要集中在6月份，多年平均氣溫為17.7 ℃。根據(jù)初期踏勘和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察的資料(見圖1、圖2)，該區(qū)域覆蓋層表層為填土，下部(2～10 m以下)為第四紀(jì)粉質(zhì)黏土，下伏基巖為志留系泥質(zhì)粉砂巖。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地地層從上到下主要有：①素填土：褐色，稠密狀，由黏性土及少量粗砂等組成。②粉質(zhì)黏土：褐黃色或褐色，硬塑狀。含少量黑色氧化物及團(tuán)狀灰白色高嶺土。③含礫石粉質(zhì)黏土：褐黃色或褐色，礫石含量約占54 %，分布不均勻。④強(qiáng)風(fēng)華砂巖：礫紅色或褐紅色，巖芯呈短柱狀，局部風(fēng)化或砂土狀，強(qiáng)度較低。⑤微風(fēng)化砂巖：礫紅色或褐紅色，巖芯呈長柱狀或短柱狀，原塊狀構(gòu)造結(jié)構(gòu)較致密。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)剖面Fig.2 The engineering geology profile

本文在項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)不同位置選取測(cè)試工程孔4個(gè)，分別編為K1、K2、K3、K4測(cè)試孔。其中K1、K4孔內(nèi)埋設(shè)垂直雙U型管，K2、K3孔內(nèi)埋設(shè)垂直單U型管，設(shè)計(jì)孔深100 m。其中K2孔進(jìn)行了鉆探取芯，并由孔底向上每隔20 m設(shè)置溫度探頭，用于監(jiān)測(cè)土壤溫度變化。實(shí)際成孔孔深及下管深度如表1所示。

表1 四個(gè)工程孔的孔深和有效埋管深度

3 巖土熱響應(yīng)測(cè)試

地源熱泵的地層熱物理性質(zhì)參數(shù)最主要有巖土層綜合導(dǎo)熱系數(shù)λ和延米換熱量。綜合導(dǎo)熱系數(shù)需要先通過實(shí)驗(yàn)獲得巖土層初試溫度然后通過穩(wěn)定熱流測(cè)試得到數(shù)值模擬曲線后獲得，然后通過計(jì)算得到延米換熱量。

3.1 巖土平均初始溫度測(cè)試

K1、K3、K4采用無功循環(huán)法進(jìn)行巖土初始溫度測(cè)試，K2采用溫度探頭進(jìn)行測(cè)試，每6小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。測(cè)試設(shè)備采用武漢地質(zhì)工程勘察院研制的淺層地?zé)崮芾洹犴憫?yīng)測(cè)試車。地埋管無功循環(huán)法是測(cè)試孔安裝完成后在PE管內(nèi)充滿水，僅啟動(dòng)循環(huán)水泵，在循環(huán)一定時(shí)間后，PE管內(nèi)水溫逐步與巖土體的溫度一致。此時(shí)通過水泵循環(huán)將地埋管換熱器內(nèi)的水泵出，同時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的變化，從而分析巖土體的溫度。

3.2 巖土體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

巖土體導(dǎo)熱系數(shù)是地源熱泵設(shè)計(jì)過程中最基本、最重要的參數(shù)，一般通過穩(wěn)定熱流模擬試驗(yàn)測(cè)定。穩(wěn)定熱流模擬試驗(yàn)是通過試驗(yàn)臺(tái)向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過監(jiān)測(cè)地埋管換熱器的進(jìn)、出水溫度的變化和流量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算后得到巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)。

IGSHPA線源模型是目前普遍采用的地埋管換熱器計(jì)算模型[10]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Tf(t)為隨時(shí)間變化的地埋管換熱器進(jìn)出水平均溫度，℃；ql為單位延米地埋管測(cè)試孔換熱量，W/m；λ為巖土體導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；α為巖土體導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s，α=λ/ρCm；r為鉆孔半徑，m；τ為加熱時(shí)間，s；γ為常數(shù)，0.577 2；Rb為鉆孔內(nèi)熱阻，m·K/W；T0為地層初始溫度，℃。

根據(jù)上式可推導(dǎo)，利用恒熱流模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算巖土體導(dǎo)熱系數(shù)的公式如下：

Tf(t)=k·ln(t)+m

(2)

(3)

給地埋管換熱器提供恒定熱流，加熱6個(gè)小時(shí)(x=21 600 s，由于鉆孔直徑遠(yuǎn)小于鉆孔深度，因此可將其視為無限長線熱源傳熱，F(xiàn)0=ατ/r2，當(dāng)5≤F0時(shí)為有效值，α為注漿料導(dǎo)溫系數(shù)m2/s，r為鉆孔半徑m)后得到進(jìn)出孔平均溫度。將恒熱流模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做成對(duì)數(shù)擬合曲線圖，并將其擬合為式(2)的形式，通過對(duì)數(shù)擬合曲線結(jié)果可計(jì)算系數(shù)k，將k代入式(2)可計(jì)算巖土體導(dǎo)熱系數(shù)λ，結(jié)論可供區(qū)域淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)和地源熱泵工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考。

3.3 每延米換熱量計(jì)算

采用國標(biāo)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005)(2009年版)附錄B[2][11]中的公式計(jì)算(以下簡稱國標(biāo)法)，該方法需分別計(jì)算5個(gè)熱阻值，如表2所示。然后在制冷(制熱)工況下，按空調(diào)系統(tǒng)不同運(yùn)行份額計(jì)算地埋管換熱器的每延米換熱量。

表2 不同鉆孔的熱阻值

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

4.1 巖土平均初始溫度

K2采用溫度探頭進(jìn)行測(cè)試，如表3，K2鉆孔根據(jù)溫度探頭測(cè)得初始地溫為18.24 ℃。K1、K3、K4采用無功循環(huán)法獲取巖層溫度，流量為1.39 m3/h，水泵出水的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。由圖3可知，K1、K3、K4分別與33 h、31 h、33 h后地埋管換熱器的循環(huán)水溫趨于穩(wěn)定，因此K1、K3、K4鉆孔利用無功循環(huán)得到初始地溫分別為18.25 ℃、18.33 ℃、18.21 ℃。計(jì)算得出研究區(qū)的地層初始平均地溫為18.26 ℃。

圖3 溫度測(cè)試孔位平面布置Fig.3 The layout of the temperature investigation hole

表3 K2孔探頭溫度記錄

4.2 巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)

巖土初始地溫試驗(yàn)完成后，進(jìn)行恒熱加熱試驗(yàn)。采取6.5 kW功率進(jìn)行恒熱加熱試驗(yàn)，自2014年9月16日14:54開始至2014年9月18日13:39結(jié)束，平均流量為1.39 m3/h。圖4顯示通過U形管進(jìn)出水溫度與時(shí)間的關(guān)系圖。在試驗(yàn)開始6 h內(nèi)，進(jìn)出口水溫在加熱功率作用下，上升較快，此時(shí)換熱主要集中在鉆孔內(nèi)部。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，K1、K2、K3及K4四個(gè)鉆孔進(jìn)出口水溫差逐漸穩(wěn)定，分別穩(wěn)定在4.8 ℃、4.3 ℃、4.4 ℃、4.5 ℃左右，此時(shí)各個(gè)鉆孔內(nèi)外換熱已達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖4 測(cè)試孔無功循環(huán)水溫曲線Fig.4 The temperature of the circulating water without power input

試驗(yàn)結(jié)束后，將四個(gè)鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為溫度與時(shí)間對(duì)數(shù)的線性方程的形式。圖5顯示通過對(duì)數(shù)擬合曲線得到k，根據(jù)k計(jì)算得K1、K2、K3、K4測(cè)試孔埋管深度范圍內(nèi)土壤的各孔熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為1.89 W/m·K、1.72 W/m·K、1.55 W/m·K、1.88 W/m·K。這表明試驗(yàn)場(chǎng)地K1、K2、K4三孔導(dǎo)熱系數(shù)相差不大；K3鉆孔導(dǎo)熱系數(shù)相比K1、K2、K4鉆孔導(dǎo)熱系數(shù)較小。根據(jù)四個(gè)鉆孔測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)可以得到該地區(qū)地層平均熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.76 W/m·K。

圖5 鉆孔測(cè)試溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The curve of temperature changing with time (double u-tube)

圖6 鉆孔測(cè)試對(duì)數(shù)曲線Fig.6 Mean fluid temperature vs. logarithmic time of the TRTs

4.3 每延米換熱量計(jì)算

在制冷(制熱)工況下，按空調(diào)系統(tǒng)不同運(yùn)行份額(全天中制冷或采暖開機(jī)運(yùn)行時(shí)間的占比)，得出不同運(yùn)行份額下延米換熱量見表4。在制冷工況下，試驗(yàn)場(chǎng)地地埋管的平均每延米換熱量為50.64 W/m；在制熱工況下，試驗(yàn)場(chǎng)地地埋管的平均每延米換熱量為38.23 W/m。這表明研究區(qū)夏季制冷潛力大于冬季供暖潛力，該數(shù)據(jù)可以作為單孔換熱能力的參考指標(biāo)。

表4 各鉆孔不同運(yùn)行份額延米換熱量計(jì)算表

續(xù)表4

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

本文通過巖土熱響應(yīng)測(cè)試對(duì)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)新校區(qū)場(chǎng)地內(nèi)的地埋管進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試，得到場(chǎng)地內(nèi)地層平均初始地溫、地層熱物性參數(shù)及測(cè)試孔的換熱能力，主要結(jié)論如下：

1)利用無功循環(huán)法的熱響應(yīng)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的淺層101 m以內(nèi)地層平均初始溫度為18.25 ℃。

2)通過對(duì)四個(gè)鉆孔進(jìn)行6.5 kW功率的恒定熱流加熱試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以得到該地區(qū)地層平均熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.76 W/m·K，換熱孔綜合熱阻為0.120 m·K/W。

3)模擬工況試驗(yàn)結(jié)果表明，在制冷工況下，試驗(yàn)場(chǎng)地地埋管的平均每延米換熱量為50.64 W/m；在制熱工況下，試驗(yàn)場(chǎng)地地埋管的平均每延米換熱量為38.23 W/m。說明夏季制冷比冬季供暖潛力大。

5.2 建議

系統(tǒng)建成啟動(dòng)后，測(cè)試孔區(qū)域地層溫度會(huì)發(fā)生變化，對(duì)周圍地層的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響，為了系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，建議設(shè)置1～2個(gè)地質(zhì)環(huán)境觀測(cè)孔，記錄測(cè)試孔區(qū)域及周圍地層溫度場(chǎng)的變化情況。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，管理人員應(yīng)做好機(jī)組運(yùn)行記錄，并隨時(shí)注意觀測(cè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的溫度變化情況。