赤水地区地埋管换热效果影响因素分析
时间：2023-03-02 17:20:07 来源：千叶帆 本文已影响人
易 瑞，汤自华，田小林
赤水地区地埋管换热效果影响因素分析
易 瑞1，2，汤自华1，2，田小林1，2
（1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000；
2.贵州浅层地温能开发有限公司，贵阳 550000）
为开展对赤水地区地埋管换热效果影响因素进行研究，通过在赤水市人民医院实施了3个测试钻孔，进行现场换热能力测试，利用“线热源+一维稳态模型”的方法来计算岩土热物性参数。结果表明：在连片碎屑岩区，地埋管深度、地埋管管径及地下水渗流几个因素中，影响地埋管换热效果的主控因素为地下水渗流，地下水流动会显著提高地埋管换热量，并缩短地温恢复时间。
赤水地区；
地埋管；
换热效果；
地下水渗流
赤水地区地处大娄山西支山脉西面向四川丘陵及盆地的过渡地带，位于赤水河右岸，地貌组合类型属侵蚀、剥蚀缓丘河谷，总体地势东高西低，海拔高度250～350m，地形起伏较小。地表出露大面积侏罗系（J）及白垩系（K）碎屑岩，岩溶不发育。目前贵州省内对于浅层地热能利用研究较多（宋小庆，2018；
田小林，2021；
张新，2021），但是主要是针对于碳酸盐岩分布区，对于碎屑岩区相关研究相对较少，本文结合赤水市人民医院新建项目开展的浅层地热能勘查工作，对赤水地区地埋管换热效果影响因素进行研究，以期为类似地区地源热泵开发利用提供借鉴与参考。
赤水地区属中亚热带湿润季风气候区，冬暖春早，夏季炎热多伏旱，全年日照少，初夏晚秋多阴雨，立体气候和地区差异非常显著。年平均气温为18.1℃，极端最高气温43.2℃，极端最低气温-1.2℃。雨量充沛，年平均降雨量为1195.7mm，降雨量多集中在4～10月份，11月份至翌年的4月份为枯季。
赤水地区一带地表出露地层主要为侏罗系（J）至第四系（Q）分布，自新到老有：土层为第四系（Q），岩层为白垩系（K）、侏罗系上统蓬莱镇组（J3）、上统遂宁组（J3）、中统沙溪庙组（J2），地层层序及主要岩性见表1。含水岩组局部裂隙发育，富水性贫乏—弱，地下水不丰富。根据《贵州省遵义市地热能开发利用实施方案》（田小林等，2021），赤水地区恒温带深度一般在25～35m之间，恒温带温度在20～21℃之间；
远离板块边缘，属于板内地热系统，区域热流值在40～60mw/m2，属于低地温梯度背景区。
表1 赤水地区地层岩性简表
区域构造上位于上扬子地块——赤水克拉通盆地区，复兴背斜北翼，距离背斜核部约4～5km。复兴背斜褶皱形态开阔平缓，轴迹总体呈东西走向，略向南凸出，为燕山运动形成。
为获取赤水地区地质体的导热系数、容积比热容、单位深度钻孔总热阻、热扩散系数、初始平均地温等热物性参数，并分析赤水地区地埋管换热效果的影响因素，在赤水市人民医院实施了3个测试钻孔（图1）。为了对比不同孔深和不同地埋管直径对区内地埋管换热量的影响，以便确定后续最优的施工方案，故采用了不同的参数（表2）来进行现场换热能力测试。
表2 三个测试钻孔参数
为研究赤水地区岩土体换热能力，在3个测试孔中下入地埋管换热器并注满换热流体，通过热响应测试仪对换热流体加热后送入换热器中，吸收岩土体热量后再次进入热响应测试仪，如此往返循环并自动采集换热器进出口的温度、流体流量及加热功率等原始数据，整理分析后计算及拟合求取岩土体的初始平均温度、综合导热系数、容积比热容及热扩散率等热物性参数以及单位延米换热量。
为了消除施工对岩土初始平均温度的影响，在钻探施工、抽水试验、埋管及回填完成48h后开始进行初始温度的测取。现场试验初始阶段，将试验管路系统中的空气排尽后启动循环泵，当流量稳定趋于恒定后，开启测试设备，不开启加热器，仅开启水泵进行循环，测取埋管进出口水温，当进出口水温趋于一致时的温度即可作为岩土体的初始平均温度，3个测试孔初始温度稳定时间均大于24h。获取岩土体初始平均温度后随即进行岩土热响应试验，加热功率约为6kw；
测试时间均在48h以上。
图1 测试孔水文地质略图
根据现场热响应试验数据见图2～4。
本次采用“线热源+一维稳态模型”的方法来计算岩土热物性参数。
工程上对U型地埋管与地层的传热问题，通常分为两部分来处理。一是钻孔内部的传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间的换热。与钻孔壁以外部分的传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质)的几何尺寸和热容量都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此可将钻孔内部的传热过程当作稳态的传热过程来处理。另一方面，由于钻孔的深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔的回灌材料中的轴向导热，与横截面内的导热相比可以忽略不计。因此，工程上采用的最简单的模型是把钻孔中U型管的两个支管简化为一个当量的单管，由此回避了U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来的复杂问题，并进而把钻孔内部的导热简化为一维导热。
图3 ZK2钻孔平均温度—时间对数拟合曲线图
图4 ZK3钻孔平均温度—时间对数拟合曲线图
一维稳态模型不考虑沿垂直方向的热传导、并且不考虑钻井中的构造和尺寸。简化的一维模型不能反映管间距和孔外地层的导热系数对孔内热阻的影响。一维稳态导热现象控制方程（常微分方程）
（1）式中，为与热量传递方向相平行的坐标，为导热系数，S为源项，常表示为温度的函数。
有限长线热源模型假定土壤为半无限大均匀介质，土壤温度及热物性均匀一致，地表温度等于土壤初始温度T，钻孔近似为轴心线上有限长度的线热源。则温度场() 满足热传导方程：
（2）式中，为温度为点至轴心线距离，为点的深度，为时间，为岩土的热扩散系数。
边界初始条件为：
（3），r为钻孔壁半径，为钻孔深度，q为单位钻孔深度上的热流密度。
由虚拟热源和格林函数法得到了有限长线热源模型的解析解：
采用“g-函数”进行钻孔传热分析，其定义为单孔或者多孔地埋管换热器的钻孔壁在阶跃热流下的温度响应。则单孔g-函数为：
地埋管换热器的设计需要确定钻孔壁温度。通常情形下，取钻孔壁中点（r=r, z=0.5H）的温度作为代表温度。因此单孔中点温度“g-函数”为：
用孔壁中点的温度作为孔壁的代表温度在定义上很简单，取整个孔壁深度方向温度的积分平均值作为孔壁代表温度，这样在传热计算中更合理。则单孔平均温度“g-函数”为：
平均温度“g-函数”在更能精确的表述钻孔壁温，然而在计算中要用二重数值积分，计算速度较慢。通过调换式（7）积分顺序得出了新的平均“g-函数”解析式：
式（8）计算速度较快，可以方便的应用于工程设计计算中。
整理测试数据，并通过计算，测试结果见表3。
表3 三个测试钻孔计算结果表
根据表3可以看出，赤水市人民医院3个测试孔的主要差异在地埋管有效深度、管径及地下水渗流三个方面；
为查明这三个因素中，对地埋管换热量影响的主控因素，下面就其对地埋管换热效果的影响进行分析。
4.1 地埋管管径与地下水渗流因素对比
一般情况下，在其他因素相同的情况下，较大管径有利于增强换热效果：潘松法等根据地源热泵规范中有关公式，代入相关参数进行详细推导计算，并利用GLD地埋软件验算，计算结果显示双U32管延米换热量较双U25管提高约10%（潘松法等，2010）。郑红旗等通过数值模拟得到外径32mm双U形地埋管换热器管件的单位井深换热量比25 mm管件提高5.2%（郑红旗等，2012）。
但赤水市人民医院项目出现了异常的结果，ZK1及ZK3钻孔地埋管有效深度均为120m，ZK1（双U25管）比ZK3（双U32管）的延米换热量高10%左右。结合区域水文地质条件分析认为，造成上述异常的主要原因为ZK1及ZK3钻孔地下水渗流差异。对于有地下水渗流的岩土体而言，除了岩土体和水的热传导，还有地下水的流动引起的热对流传热作用，水的对流传热增强了地层的传热能力，地埋管换热器传给附近地层区域的热量会被迅速带走，地埋管换热器周边地层温度上升较慢。而干燥地层中相对而言传热能力较弱，地埋管换热器传给周边地层的热量会逐渐堆积，随着加热时间的延长，就会阻碍换热器向地层中散热（岳丽燕，2012）；
郑明奇通过比较有、无地下水渗流时地埋管换热性能发现：地下水的渗流作用可以显著提高地埋管的换热效率，并且运行时间越长，地下水渗流对于地埋管换热能力的影响越明显（郑明奇，2017）。场区内ZK1钻孔静止水位高于ZK3钻孔2.8m，且ZK1钻孔涌水量（61.94m3/d）比ZK3钻孔大得多（26.18m3/d），表明ZK1钻孔位于研究区内地下水主径流带上，地下节理、裂隙相对较为发育，为地下水的运移提供了良好的通道，ZK1钻孔地下水渗流速度大于ZK3。ZK1钻孔地下水渗流带来的延米换热量提升效果不仅弥补了管径较小的差距，还有一定的富余，故ZK1钻孔延米换热量高于ZK3钻孔，即地下水渗流因素对地埋管换热量的影响超过了地埋管孔径因素。
4.2 地埋管有效深度与地下水渗流因素对比
根据前人研究，在其他因素相同的情况下，一定范围孔深内，延米换热量随换热器深度的增加而减小：邓军涛等在典型黄土地区开展相关现场试验发现，对于同一管径的地埋管换热器，仅增大孔深其延米换热量不增反减，孔深150 m较120 m而言，双U25管和双U32管延米换热量均有一定程度下降。其主要原因是因为随着埋管深度的增大，在U 形管内的水循环流动所需的时间越长，温度下降越快，水与岩土体的温差随之减小，沿程的传热量也随之减小，因而导致单位井深平均换热量降低（邓军涛等，2021）。张长兴等采用分析法，以有限长线热源模型为基础，计算地埋管的换热性能，并通过相关实验数据进行验证，对孔深50~100 m 的地埋管换热性能开展了研究，发现单位孔深换热量与换热器的总换热量呈相反趋势（张长兴等，2009），即钻孔延米换热量随换热器深度的增加而减小。
赤水市人民医院项目中，ZK2及ZK3钻孔地埋管管径均为32mm，ZK2（深度148m）冬季延米换热量比ZK3（深度120m）高7%，夏季延米换热量则高1%，也出现了异常结果，这亦是由地下水渗流因素造成的：ZK2钻孔涌水量（47.04m3/d）为ZK3钻孔（26.18m3/d）近2倍，地下水资源更丰富，地下节理、裂隙相对较为发育，地下水渗流速度高于ZK3钻孔，弥补了孔深增加对地埋管延米换热量带来的负面影响。
综上论述，地下水渗流因素对地埋管换热量的影响程度超过地埋管孔径及深度，为3个因素中的主控因素，其主要原因为赤水地区为碎屑岩区，相对于岩溶区而言，无大型裂隙、溶隙及岩溶管道，含水介质主要为少量细小节理、裂隙，地埋管传递给地层的热量扩散较慢，易发生“热堆积”。於仲义等基于地埋管三维渗流传热模型和合理模拟边界条件，利用动态模拟分析了得出如下结论:土壤中存在一定速度的渗流时,可持续削弱热堆积作用（於仲义等，2009）；
邓鼎兴通过理论分析及实地原位试验，也证实渗流作用能有效减弱热量堆积的不利影响,能提高地埋管换热器的换热能力（邓鼎兴. 2015）。故在赤水地区，地下水的渗流对地埋管换热量的影响就显得尤为突出，能显著提高地埋管换热量。这点亦可以从表3中“地温恢复时间”一栏中印证，单孔涌水量越大的钻孔，地下水渗流性越好，其地温恢复时间越短。
赤水地区地下水渗流因素对地埋管换热量的影响程度超过地埋管孔径及深度，地下水的渗流能显著提高地埋管换热量，并缩短地温恢复时间。
宋小庆. 2018. 贵州主要城市浅层地热能利用潜力评价[J]. 中国岩溶，37(01)：9-16.
田小林. 2021. 仁怀中枢城区岩土热物性特征及地源热泵开发建议[J]. 四川地质学报，41(01)：74-76.
张新. 2021. 贵安新区浅层地温能资源开发利用适宜性分区及潜力评价[J]. 地下水，43(03)：83-85.
田小林，彭佳，冉宇进，等. 2021. 贵州省遵义市地热能开发利用实施方案[R]. 贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队.
邓军涛，王娟娟，郑建国. 2021. 不同管径和埋深地埋管换热器换热性能分析[J]. 太阳能学报，42(09)：416-421.
潘松法，曾苗，唐彪锋. 2010. 地源热泵地埋管单位埋管深度换热量指标的推导[J]. 制冷空调与电力机械，31(02)：1-5+16.
郑红旗，张建忠，陈九法. 2012. 地埋管换热器形式、管径及岩土温度对其换热性能的影响[J]. 暖通空调，42(5)：90-95.
岳丽燕. 2012. 垂直地埋管换热性能影响因素分析[D]. 中国地质大学(北京).
郑明奇. 2017. 地下水渗流对地埋管换热性能的影响研究[D]. 南华大学.
张长兴，胡松涛，刘国丹，李绪泉. 2009. 竖直U型地埋管的换热性能分析[J]. 建筑科学，25(06)：99-103.
邓鼎兴. 2015. 地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价[D]. 中国地质大学.
於仲义，陈焰华，胡平放. 2009. 基于渗流型传热机制的地埋管换热特性研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版)，36(S2)：63-68.
Analysis on Influencing Factors of Heat Transfer Effect of Buried Pipe in Chishui area
YI Rui1,2TANG Zi-hua1,2TIAN Xiao-lin1,2
( 1-No.114 Geological Team, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development, Zunyi, Guizhou 563000; 2-Guizhou Shallow Geothermal Energy Development Co., LTD., Guiyang 550000)
In order to study the factors influencing the heat transfer effect of buried pipes in Chishui area, three test drill holes were carried out in Chishui People"s Hospital to test the heat transfer capacity on site, and the method of "line heat source + one-dimensional steady-state model" were used to calculate the thermal property parameters of rock and soil. The results show that in the contiguous clastic rock area, among the buried pipe depth, buried pipe diameter and groundwater seepage, the main factor influencing the heat transfer effect of buried pipe is groundwater seepage. Groundwater flow can significantly improve the heat transfer of buried pipe and shorten the geothermal temperature recovery time.
Chishui area;buried pipe; heat transfer effect; groundwater seepage
P642.2
A
1006-0995（2022）04-0606-05
10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.012
2021-11-25
贵州省地矿局地质科研项目“娄山关白云岩中换热孔回填材料热物性改善研究”（黔地矿科合[2021]14号）
易瑞（1990— ），男，湖北黄冈人，工程师，主要从事水工环地质、地热勘查工作
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