金宗川

（上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093）

地源熱泵所利用的是地表淺層熱能，主要來自于地下水或者土壤中所蘊(yùn)涵的熱能，通過輸入少量的高位能源（如電能）將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移或高溫位能向低溫位能轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。

上海市地下水位高，屬典型的飽和軟土地區(qū)，淺層約130m深度范圍內(nèi)的地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，地下巖土層溫度場(chǎng)平均地溫保持在16～20℃左右，其蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源相對(duì)較為豐富。地源熱泵系統(tǒng)主要通過循環(huán)介質(zhì)在封閉的地埋管中流動(dòng)，以利用地下土水中儲(chǔ)存的熱能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的熱能交換，以利用地下清潔能源。

巖土體熱物性參數(shù)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，一般可利用簡(jiǎn)化模型數(shù)值計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)估計(jì)及熱、冷響應(yīng)試驗(yàn)獲得。由于地下巖土體的復(fù)雜性，不同巖土體的熱物性參數(shù)相差較大。目前國(guó)內(nèi)外巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試應(yīng)用較多的方法是恒熱流法（恒定功率）及恒溫法（恒定溫度）模擬夏季、冬季工況進(jìn)行原型試驗(yàn)，以得到較為可靠的巖土體熱物性參數(shù)。

上海地下溫度場(chǎng)沿深度有一定的變化，受不同區(qū)域地層組合的影響，地?zé)豳Y源的利用有一定的差別。在飽和深厚的軟土條件下采用單U、雙U，串聯(lián)、并聯(lián)的地埋管選型和埋設(shè)方式對(duì)換熱性能也有一定的影響。對(duì)熱物性測(cè)試參數(shù)的合理分析和利用，對(duì)指導(dǎo)地源熱泵設(shè)計(jì)和提高地?zé)?/p>

利用效率具有重要意義。

1 測(cè)試原理

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的換熱是一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，計(jì)算過程十分復(fù)雜。而實(shí)際工程中較多采用簡(jiǎn)化了的線熱源模型。假定鉆井處于不受熱擾動(dòng)影響的溫度場(chǎng)內(nèi)，且經(jīng)過一定的時(shí)間，可得到鉆井散出熱量的熱擴(kuò)散率，則可用簡(jiǎn)化了的線熱源公式計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù)，通過測(cè)量溫度、流量進(jìn)行反向推算土壤傳熱性能。其基本原理如下[1-2]：

式中，E1為指數(shù)積分，實(shí)際測(cè)試中 相對(duì)于r往往很小，故t可近似為：

其中歐拉常數(shù)r= 0.5772。

測(cè)量土壤熱交換器中流體的溫度，得到流體和鉆孔壁面溫度的關(guān)系式：

故流體溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)式可以寫為：

通過計(jì)算溫度與自然對(duì)數(shù)時(shí)間曲線的斜率 可以得到溫度的響應(yīng)規(guī)律：

其中Tf為管內(nèi)水的平均溫度，℃；Tb為鉆孔壁面溫度，℃；T0為巖土初始溫度，℃；r為鉆井半徑，m；H為鉆井深度，m；Rb為熱阻，m·K/W；a為熱擴(kuò)散率，m2/s；t為測(cè)試時(shí)間，s；Q為換熱功率，W。

其中C為常溫下水的比熱容，為4.1868 kJ/kg·℃；G為地埋管內(nèi)水的流量，m3/s；ρ為循環(huán)液的密度，水的密度為1000 kg/m3；ΔT為進(jìn)出水溫差，℃。

2 測(cè)試方法簡(jiǎn)述

利用上述測(cè)試原理，按圖1所示的地源熱泵測(cè)試系統(tǒng)流程圖，選用相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備并進(jìn)行地埋管原型地源熱泵熱物性參數(shù)的測(cè)試工作。

圖1 地源熱泵測(cè)試系統(tǒng)流程圖Fig.1 Chart of ground source heat pump test system

地源熱泵地埋管周邊回填材料主要采用膨潤(rùn)土與水泥混合物孔底壓漿封填，上部采用黃沙人工回填。循環(huán)系統(tǒng)采用水作為流動(dòng)介質(zhì)。模擬冬、夏兩季的原型地源熱泵測(cè)試工作在埋管安裝完畢至少48小時(shí)后進(jìn)行，兩次試驗(yàn)間隔48小時(shí)以上。

模擬夏季空調(diào)制冷試驗(yàn)時(shí)，采用恒熱流法（恒定功率）熱響應(yīng)測(cè)試，通過控制加熱量、水壓力及水流量，保持加熱功率恒定，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后的溫度控制在35～37℃左右，流速控制在0.5～0.7m/s，連續(xù)測(cè)試時(shí)間不少于48小時(shí)。

模擬冬季空調(diào)制熱試驗(yàn)時(shí)，采用恒溫法（恒定溫度）冷響應(yīng)測(cè)試，通過壓縮機(jī)制冷和冰塊輔助制冷，控制進(jìn)水溫度保持在5～7℃左右，流速控制在0.5～0.7m/s，并連續(xù)測(cè)試，直至進(jìn)出水溫差達(dá)到穩(wěn)定，連續(xù)測(cè)試時(shí)間不少于48小時(shí)。

3 地下溫度場(chǎng)的測(cè)量分析

對(duì)地下巖土體初始平均溫度的測(cè)量采用外置鉑電阻溫度傳感器，溫度誤差控制在±0.1℃，傳感器和導(dǎo)線按深度定位綁固在地埋管的外壁表面，通過在預(yù)定深度埋設(shè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下巖土體任意深度的溫度測(cè)量，同時(shí)可以對(duì)后期系統(tǒng)運(yùn)行期間的溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。

統(tǒng)計(jì)上海地區(qū)多個(gè)地源熱泵測(cè)試的巖土體初始溫度測(cè)試結(jié)果，其隨深度分布散點(diǎn)圖見圖2。

從圖2分析，地下巖土體初始溫度隨深度具有線性增加趨勢(shì)，在不同深度段呈現(xiàn)不同特點(diǎn)：

（1）地下約0～4m深度段受太陽(yáng)輻射、大氣溫度和人工活動(dòng)影響較明顯，平均溫度約為16～18℃，24小時(shí)測(cè)試周期內(nèi)有一定的溫度變化，一年四季受氣候變化也有溫度變化。

圖2 巖土體初始溫度隨深度分布散點(diǎn)圖Fig.2 The distribution plot of temperature of underground with depth

（2）地下4～30m深度段，地下年平均溫度基本保持為17～18℃，受外熱層和深部地?zé)釋佑绊?，巖土體平均溫度具有一定的離散性。

（3）地下30m以下深度，巖土體溫度達(dá)18～20℃，由于其熱能基本來自地球內(nèi)部，隨著深度增加，溫度逐漸升高。

通過對(duì)地下巖土體初始溫度和溫度場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試分析，對(duì)其主要影響因素有如下討論：

（1）測(cè)試誤差：巖土體初始平均溫度測(cè)試對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要，其測(cè)量結(jié)果受測(cè)試儀器精度、測(cè)讀誤差等影響。地下巖土體溫度在一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，在測(cè)試中對(duì)于數(shù)據(jù)變化幅度較大的測(cè)溫點(diǎn)，應(yīng)分析其可能受到的場(chǎng)地及周邊環(huán)境的影響，剔除場(chǎng)地內(nèi)或周邊短時(shí)間異常情況的影響，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確。

（2）地下水流動(dòng)：地下水的流動(dòng)可以改變周圍土體的溫度場(chǎng)。在上海地區(qū)地下水土處于飽和狀態(tài)，在周圍無(wú)人工引起的水力坡降情況下，一般可不考慮地下水的徑向流動(dòng)，相應(yīng)對(duì)地埋管周邊溫度場(chǎng)無(wú)影響。但在受周邊工程降水、地下水水力聯(lián)系影響下，其對(duì)地埋管周邊溫度場(chǎng)有一定的影響。

（3）地埋管周邊溫度場(chǎng)：在某工程的地源熱泵測(cè)試過程中，在距離試驗(yàn)地埋管1m、3m處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)孔T2和T3，并分別在8m、40m深度處埋設(shè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)地源熱泵地埋管在試驗(yàn)放熱、吸熱過程中巖土體的溫度場(chǎng)變化情況，測(cè)試結(jié)果見圖3。

地埋管在48小時(shí)放熱、吸熱過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度基本保持恒定，地下巖土體的溫度場(chǎng)并沒有變化，主要原因是本次單孔測(cè)試放熱量、吸熱量小，且運(yùn)行時(shí)間相對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)后期常年運(yùn)行而言相對(duì)較短。根據(jù)已有研究成果，在經(jīng)過地源熱泵長(zhǎng)期放熱和吸熱情況下，地下溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生一定的改變。長(zhǎng)期間歇運(yùn)行的豎直地埋管的熱干擾距離一般在3m左右，當(dāng)?shù)芈窆荛g距達(dá)到6m時(shí)，基本已無(wú)熱干擾影響。

圖3 地埋管放熱(a)與吸熱(b)過程中溫度場(chǎng)的變化Fig.3 The variation curves of temperature during heat (a)and cold (b) release process of buried pipes

4 土層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)對(duì)換熱性能的影響

研究表明：土層結(jié)構(gòu)和含水性能對(duì)地埋管換熱性能具有直接影響。根據(jù)不同土層結(jié)構(gòu)和含水量的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，一般飽和的砂土導(dǎo)熱性能要高于干燥的砂土，含水量高的黏性土導(dǎo)熱性能要高于含水量低的黏性土，顆粒粗的砂土導(dǎo)熱性能要高于顆粒細(xì)的砂土，因此不同的地層組成和含水量對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，往往不同地區(qū)的測(cè)試結(jié)果差異反映了不同地區(qū)的土層結(jié)構(gòu)和含水性能差異。

上海地區(qū)考慮地埋管成孔、埋設(shè)、經(jīng)濟(jì)性等因素，地源熱泵的利用深度一般在80～120m左右，在此深度范圍內(nèi)地層組成根據(jù)其土層特點(diǎn)、成因類型、土層性質(zhì)等分成兩個(gè)地質(zhì)分區(qū)：即正常地層沉積區(qū)和古河道地層沉積區(qū)，兩種分區(qū)的標(biāo)志土層是有無(wú)第⑥層暗綠色粘性土分布。研究?jī)煞N地質(zhì)分區(qū)地源熱泵換熱性能還在于不同分區(qū)土層結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)對(duì)換熱性能的影響。

圖4所示是正常地層沉積區(qū)和古河道地層沉積區(qū)的兩種典型代表土層。對(duì)正常地層沉積區(qū)130m地埋管深度范圍內(nèi)飽和粘性土厚度為28m，飽和粉（砂）土厚度為102m，土層導(dǎo)熱系數(shù)的當(dāng)量值為1.662W/m·K。對(duì)古河道地層沉積區(qū)106m地埋管深度范圍內(nèi)飽和黏性土厚度50m，飽和粉（砂）土厚度為56m，土層導(dǎo)熱系數(shù)的當(dāng)量值為1.595W/m·K。

正常地層分區(qū)和古河道分區(qū)的地層組成主要區(qū)別在于飽和黏性土和飽和粉（砂）性土在全孔深度上的占比不同，相應(yīng)全孔深度的導(dǎo)熱系數(shù)當(dāng)量值也有所差別。但由于上海地區(qū)自上而下土層基本處于飽和狀態(tài)，飽和黏性土隨含水量增加、孔隙比變大情況下土層導(dǎo)熱系數(shù)的變化并不明顯，飽和粉（砂）性土隨含水量增加、孔隙比變大情況下土層導(dǎo)熱系數(shù)稍有增大的趨勢(shì)。

表1中相對(duì)應(yīng)上述兩種不同分區(qū)的I2、I6工程實(shí)測(cè)單U地埋管地源熱泵測(cè)試單位延米換熱能力分別為64W/m和64.6W/m，兩者差別不大，說明在上海地區(qū)雖然不同地質(zhì)分區(qū)土層組成、土性差異，但由于地下土層豐富地下水的存在使地源熱泵測(cè)試單位延米換熱能力的影響并不顯著。

5 地埋管埋設(shè)及選型對(duì)換熱性能影響

地埋管是地源熱泵利用地?zé)豳Y源主要采用的技術(shù)手段，是地源熱泵設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。目前地埋管主要采用聚乙烯管（PE100），管外徑一般在Φ25～Φ32mm，分單U和雙U地埋管類型，雙U情況下分串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型（圖5）。

圖5 地埋管示意圖Fig.5 Sketch map of buried pipe

將上海地區(qū)完成的多個(gè)工程地埋管地源熱泵測(cè)試成果匯總?cè)绫?所示。

5.1 單U和雙U的選型分析

表1中I2工程對(duì)比測(cè)試了單U和雙U兩種地埋管類型地源熱泵換熱參數(shù)，測(cè)試孔1＃及2＃距離6m，地層組成一致，埋設(shè)方法相同。對(duì)1?？准??？走M(jìn)行了熱性能測(cè)試，測(cè)試曲線見圖6。試驗(yàn)計(jì)算得到127m深的單U、雙U型地埋管每米孔深的平均換熱能力分別為64.0W/m、73.7W/m。

表1 地埋管換熱性能測(cè)試成果匯總表Table 1 Summary of the test results of the heat transfer performance of the buried pipe

圖6 放熱過程進(jìn)出水溫度曲線Fig.6 The curves of inlet and outlet temperature during exothermic process in single U pipe (a) and double U pipe (b)

在相同的鉆孔深度、地層組成情況下，由于雙U型管增加了孔內(nèi)的傳熱面積，使孔內(nèi)傳熱熱阻降低，導(dǎo)熱系數(shù)增大，根據(jù)本次實(shí)測(cè)雙U型DN32管導(dǎo)熱系數(shù)比單U型DN32管大27.9%。同一測(cè)試條件下，雙U管較單U管單位管長(zhǎng)換熱能力提高約15%左右。

對(duì)比相同測(cè)試條件下的多個(gè)工程雙U、單U管的測(cè)試成果，雖然雙U管得到相對(duì)較高的單位管長(zhǎng)的換熱能力，一般提高約10%～15%左右，但是相應(yīng)增加了較多的管材，同時(shí)成孔成本和埋設(shè)難度增加，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能上沒有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

5.2 地埋管不同規(guī)格的影響

表1中Ⅱ3工程對(duì)比相同地層、相同測(cè)試條件下DN32單U管較DN25單U管的換熱性能，理論上管徑大增加了孔內(nèi)的傳熱面積，使孔內(nèi)傳熱熱阻降低，根據(jù)計(jì)算單U型DN32管傳熱面積比單U型DN25管大21.5%，測(cè)試結(jié)果單位管長(zhǎng)換熱能力提高約5～10%左右。增加地埋管的換熱面積提高其單位管長(zhǎng)換熱能力是地源熱泵設(shè)計(jì)提高地?zé)崂玫囊环N方法。

5.3 地埋管的埋設(shè)深度影響

表1中多個(gè)工程在地層組成類似，地埋管選型相同情況下，地埋管的埋深不同，對(duì)比其地源熱泵的換熱性能測(cè)試結(jié)果，一般地埋管埋深越大，相應(yīng)平均單位孔深的換熱能力越大，主要原因：上海地區(qū)深部（約70～130m）土層以第⑨、⑩、⑾層密實(shí)砂土和硬塑粘性土為主，相應(yīng)土層導(dǎo)熱系數(shù)高，換熱能力強(qiáng)。另外地埋管埋設(shè)深度增加了換熱介質(zhì)在地埋管中流動(dòng)時(shí)間，提高了換熱能力。

地埋管的埋設(shè)深度受不同地區(qū)土層差異、施工工藝、施工效率和成本限制，上海軟土地區(qū)一般地埋管埋設(shè)深度在80～110m左右較為合理。

6 結(jié)論

地源熱泵熱物性參數(shù)主要通過恒熱流法熱響應(yīng)及恒溫法冷響應(yīng)測(cè)試得到，本文通過對(duì)上海地區(qū)多個(gè)工程的地源熱泵熱物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合上海地區(qū)土層構(gòu)成、土性特點(diǎn)、地下水條件、地埋管選型等進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)指導(dǎo)地源熱泵設(shè)計(jì)和地?zé)豳Y源有效利用具有重要的指導(dǎo)意義。

上海地區(qū)蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源較為豐富，在0～120m深度范圍地下巖土體初始溫度在16～20℃，隨深度具有線性增加趨勢(shì)，在不同深度段受太陽(yáng)輻射和深部地?zé)嵊绊懗尸F(xiàn)分層特點(diǎn)。地下巖土層的溫度場(chǎng)受周邊人工降水、水力聯(lián)系等影響，地埋管地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行情況下會(huì)引起地下巖土層周邊溫度場(chǎng)的改變。

上海是典型的飽和軟土地區(qū)，分正常地層和古河道地層沉積區(qū)，不同地質(zhì)分區(qū)內(nèi)土層結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)不同其導(dǎo)熱系數(shù)也不同。但由于上海地區(qū)自上而下土層基本處于飽和狀態(tài)，飽和黏性土、粉（砂）性土隨含水量增加、孔隙比變大情況下土層導(dǎo)熱系數(shù)的變化并不明顯。地下土層豐富地下水的存在使不同地質(zhì)分區(qū)地源熱泵測(cè)試單位延米換熱能力的差別不明顯。

在飽和深厚的軟土條件下，根據(jù)多個(gè)工程的地源熱泵測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析：相同測(cè)試條件下的雙U、單U管的測(cè)試成果，單位管長(zhǎng)的換熱能力提高約10%～15%左右。相同測(cè)試條件下DN32單U管較DN25單U管的換熱性能，單位管長(zhǎng)換熱能力提高約5%～10%左右。上海地區(qū)采用單U或雙U并聯(lián)，埋深80～110m左右的地埋管較為經(jīng)濟(jì)合理。