李 娟 , 鄭 佳 , 雷曉東, 賈子龍,劉愛(ài)華, 徐子君

1)北京市地?zé)嵴{(diào)查研究所, 北京 102218; 2)自然資源部淺層地?zé)崮苤攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100195;3)北京市生態(tài)地質(zhì)研究所, 北京 102218

淺層地?zé)崮苜Y源豐富, 是一種清潔可再生的非碳基能源, 對(duì)其進(jìn)行規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用能夠有效降低碳排放, 助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái), 淺層地?zé)崮芾冒l(fā)展速度快, 應(yīng)用規(guī)模大。以北京市為例,已涌現(xiàn)出北京城市副中心、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等一批應(yīng)用規(guī)模在百萬(wàn)平方米以上的超大型項(xiàng)目(王貴玲等, 2021; 賀繼超等, 2022)。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要方式之一, 全國(guó)省會(huì)城市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)成果顯示我國(guó) 31個(gè)省會(huì)城市超過(guò)80%的土地面積適宜采用地埋管熱泵系統(tǒng)開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮? 因此從利用方式來(lái)看, 地埋管熱泵系統(tǒng)應(yīng)用將會(huì)更廣泛(王貴玲等, 2017)。已有的地埋管熱泵系統(tǒng)工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)換熱器換熱性能的偏差會(huì)造成埋管長(zhǎng)度(或鉆孔深度)的偏差, 影響系統(tǒng)前期投資的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)地埋管換熱器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)失誤會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí), 吸熱或釋熱量不能及時(shí)散開(kāi),產(chǎn)生冷或熱堆積, 長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)影響地埋管換熱器的換熱效率, 導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯(孫秀剛等, 2015; 尚少文等, 2018; 陳忠, 2020)。因此,地埋管換熱器換熱性能研究是淺層地?zé)崮軕?yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

地埋管換熱器的換熱性能會(huì)受到開(kāi)采區(qū)地質(zhì)條件、回填材料、埋管形式及管群排列方式等多種因素的影響。本文主要討論地質(zhì)條件及埋管形式這兩方面。地質(zhì)條件如地層初始平均溫度、地層巖性以及地下水徑流條件等, 其差異會(huì)導(dǎo)致地埋管換熱能力不同。埋管形式則可以人為設(shè)計(jì), 通過(guò)改變埋管直徑、埋管深度及管內(nèi)循環(huán)流體的流量等改變換熱能力。目前已有研究中多是利用數(shù)值計(jì)算的方法模擬換熱過(guò)程(Rees et al., 2004; 王瑜和劉志成,2019; Li et al., 2020; 楊培志等, 2021; 李澤錕和杜震宇, 2021; 趙天雨等, 2022; Chen et al., 2022), 利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究地質(zhì)條件和埋管形式對(duì)換熱性能的影響較少。本文基于北京市35個(gè)換熱孔開(kāi)展的巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù), 討論地層初始溫度、地層巖性、地下水徑流條件以及埋管形式對(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響, 以期為提高地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性和運(yùn)行能效等提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

地埋管換熱器換熱性能可以通過(guò)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)確定, 測(cè)試裝置示意圖如圖1所示。目前國(guó)內(nèi)常采用的熱響應(yīng)試驗(yàn)方法主要有恒熱流法和恒溫法。恒熱流法是對(duì)巖土體施加恒定熱流量, 通過(guò)獲取流體進(jìn)出口溫度及流量等參數(shù)來(lái)確定巖土體平均熱導(dǎo)率以及鉆孔內(nèi)的熱阻, 然后采用軟件或按設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到淺層地?zé)崮芾孟到y(tǒng)換熱孔的設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度。恒溫法是在試驗(yàn)中保持地埋管供水溫度恒定,確定在“穩(wěn)定”狀態(tài)下?lián)Q熱孔每米的換熱量, 測(cè)試結(jié)果可作為反映鉆孔處換熱能力的一個(gè)指標(biāo)(方亮等, 2009)。兩者相比較, 恒熱流法是一種有效的巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)手段, 但也存在一些不足, 例如只能間接得出巖土體熱導(dǎo)率和熱阻, 不能直接得出地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需延米換熱量。恒溫法是建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運(yùn)行工況, 并直觀獲得地埋管換熱器每米換熱量的方法, 避免了復(fù)雜的計(jì)算, 但測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)定工況相關(guān)(鄧娜等, 2014)。

圖1 巖土熱響應(yīng)測(cè)試裝置示意圖Fig. 1 Composition of rock-soil thermal response test equipment

恒熱流法測(cè)試數(shù)據(jù)處理采用國(guó)標(biāo)推薦的線熱源理論模型, 地埋管內(nèi)流體的平均溫度可表述為:

式中:tf—流體平均溫度(℃);t0—地層初始溫度(℃);Q—單井換熱量(W);λS—熱導(dǎo)率(W/(m·K));L—換熱器長(zhǎng)度(m);τ—運(yùn)行時(shí)間(s);α—巖土體熱擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);γ—?dú)W拉常數(shù), 取0.5772;Rb—鉆孔內(nèi)熱阻((m·℃)/W)。

加熱功率恒定時(shí), 式(1)可簡(jiǎn)化為:

式中:k—tf-lnτ曲線的線性段變化斜率;b—直線截距。

巖土體平均熱導(dǎo)率計(jì)算式為:

恒溫法測(cè)試根據(jù)測(cè)得的管內(nèi)流量和溫差, 利用公式(4)計(jì)算地埋管換熱器的延米換熱量。

式中:q—延米換熱量(W/m);m—流量(kg/s);cm—巖土體平均比熱容(J/(kg·℃));tin—進(jìn)口溫度(℃);tout—出口溫度(℃)。

2 試驗(yàn)概況

本文收集的北京市 35個(gè)換熱孔巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)既有恒熱流法, 也有恒溫法。恒熱流法測(cè)試加熱功率滿足實(shí)際地埋管換熱器高峰負(fù)荷值(通常為50～80 W/m), 計(jì)算得到巖土體熱導(dǎo)率。恒溫法測(cè)試以 35 ℃進(jìn)水穩(wěn)定溫度為夏季標(biāo)準(zhǔn)排熱工況, 以5 ℃進(jìn)水穩(wěn)定溫度為冬季標(biāo)準(zhǔn)取熱工況, 獲取地埋管換熱器的延米換熱量。其中, 通州區(qū)淺層地?zé)崮芸辈閾Q熱孔22個(gè), 孔深150 m, 下入雙U型地埋管換熱器, 采用恒溫法獲取換熱孔延米換熱量。平原區(qū)和山區(qū)100 m深換熱孔各4個(gè), 滿足地層初始溫度基本接近且埋管形式一致。昌平區(qū)“北京市地?zé)崾痉痘亍背樗囼?yàn)區(qū)域換熱孔1個(gè)。通州區(qū)西集鎮(zhèn)某場(chǎng)地不同埋管形式換熱孔 4個(gè), 換熱器形式分別是150 m深雙U型、300 m深雙U型、150 m深增強(qiáng)型同軸套管式和 300 m深增強(qiáng)型同軸套管式,換熱孔位置見(jiàn)圖2。

圖2 換熱孔位置圖Fig. 2 Map showing locations of heat exchange holes

3 地埋管換熱性能影響因素

3.1 地層初始溫度

地層初始溫度是指巖土體未受人為擾動(dòng)或雖受人為擾動(dòng)但經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)后的溫度, 淺層地?zé)崮鼙举|(zhì)就是地表以下資源開(kāi)發(fā)利用深度范圍內(nèi)地層初始溫度與地表溫度之差而形成的能量, 是兩個(gè)狀態(tài)不同的溫度場(chǎng)之間存在的勢(shì)能, 所以地層初始溫度是決定淺層地?zé)崮芾眯实闹匾獏?shù)(陳友明等, 2007)。

本文收集通州區(qū) 22個(gè)換熱孔巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析地層初始溫度對(duì)地埋管換熱能力的影響,試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括地層初始平均溫度測(cè)試和恒溫法加熱測(cè)試。地層初始平均溫度采用無(wú)負(fù)荷循環(huán)法, 即不開(kāi)啟測(cè)試儀加熱裝置, 僅依靠循環(huán)泵來(lái)維持地埋管換熱器環(huán)路循環(huán), 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后, 地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫將逐漸趨于相等或保持一個(gè)很小的溫差, 此狀態(tài)下的進(jìn)出口平均水溫視為地層初始平均溫度(王華軍和齊承英, 2010)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了通州區(qū)150 m以淺地層初始平均溫度和夏季延米排熱量等值線圖, 反映出兩者之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖3)。通州區(qū)年恒溫帶的深度為10～30 m, 恒溫帶溫度為 13～14 ℃, 地溫梯度分布在1.34～3.12 ℃ /(100 m)范圍內(nèi)(李文, 2021)。150 m以淺地層初始平均溫度在 15 ℃左右, 其中宋莊鎮(zhèn)東部一帶較高, 為16.8 ℃, 夏季延米排熱量數(shù)值較低, 為51 W/m; 宋莊鎮(zhèn)北部、西集鎮(zhèn)東部及于家務(wù)鄉(xiāng)地層初始平均溫度較低, 分別為14.4、14.6、14.2 ℃, 夏季延米排熱量數(shù)值較高, 排熱效果好, 基本在60 W/m以上。地層初始平均溫度每變化1 ℃時(shí), 地埋管換熱能力相差 8%左右。通州區(qū)屬于永定河沖洪積扇和潮白河沖洪積扇中下游, 第四系巖性為黏性土層和砂層互層, 地下水徑流條件較差, 地層初始溫度是導(dǎo)致該區(qū)地埋管換熱能力產(chǎn)生差異的主要原因。

圖3 通州區(qū)地溫及鉆孔換熱量等值線圖Fig. 3 Contour map of stratum temperature and borehole heat exchange in Tongzhou

地層初始溫度在數(shù)值上相當(dāng)于換熱深度內(nèi)淺層地溫場(chǎng)垂向變溫帶、恒溫帶及增溫帶的平均值。淺層地溫場(chǎng)恒溫帶的溫度與當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁叵嘟?更容易獲取, 在一定程度上也反映出一個(gè)地區(qū)近地表處淺層的熱狀況, 因此經(jīng)常將恒溫帶的溫度作為評(píng)價(jià)淺層地?zé)崮苜Y源開(kāi)發(fā)利用的重要參數(shù)(衛(wèi)萬(wàn)順等, 2010)。例如衛(wèi)萬(wàn)順等(2020)根據(jù)恒溫帶溫度to的高低, 對(duì)我國(guó)淺層地?zé)崮芾眠m宜性進(jìn)行了區(qū)劃, 將to≥10 ℃、to=5～10 ℃及to≤5 ℃的區(qū)域分別劃分為淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。在適宜區(qū)和較適宜區(qū)地層初始溫度較低的區(qū)域換熱孔排熱效果好, 地層溫度較高時(shí)有利于取熱。

3.2 地層巖性

地層巖性體現(xiàn)了物質(zhì)組成特征, 是影響巖土體熱導(dǎo)率的本質(zhì)因素, 在北京平原區(qū)和山區(qū)分別選定4個(gè)地層初始溫度基本接近的100 m深換熱孔作為研究對(duì)象, 對(duì)比第四系和基巖地層中地埋管換熱能力差異(表1)。第四系4個(gè)換熱孔Q1～Q4位于平原區(qū)北部順義區(qū)和昌平區(qū)、東南部通州區(qū)以及南部大興區(qū), 地層初始平均溫度 14.0～15.1 ℃, 換熱孔圍巖以黏土和砂為主, 夏季延米排熱量57.4～68.3 W/m?；鶐r地區(qū)4個(gè)換熱孔K1～K4分別位于北京西南部門(mén)頭溝區(qū)和房山區(qū)、西北部延慶區(qū)以及東部平谷區(qū), 地層初始平均溫度 13.0～14.6 ℃,比平原區(qū)低約1 ℃, 換熱孔鉆探深度內(nèi)第四系厚度15～26 m, 下覆基巖分別有頁(yè)巖、砂巖、礫巖、灰?guī)r和侵入巖等, 地埋管換熱器夏季延米排熱量70.7～104.2 W/m, 平均比第四系高 35%。可見(jiàn)地層巖性有明顯差異時(shí), 對(duì)地埋管換熱能力有較大影響。王松濤等(2012)在山東省基巖地層也開(kāi)展了換熱測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)基巖地層的地埋管換熱器的傳熱性能明顯優(yōu)于第四系。

表1 第四系與基巖地區(qū)換熱孔巖土熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Table 1 The rock-soil thermal response test results of borehole heat exchangers (BHEs) in quaternary and bedrock areas

巖土體是淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用時(shí)吸熱和釋熱的場(chǎng)所, 地層巖性的差異在很大程度決定了其導(dǎo)熱能力的大小。筆者對(duì)北京平原區(qū)各沖洪積扇采集的695件第四系樣品熱導(dǎo)率進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì), 其平均值范圍為 1.465～2.022 W/(m·K)(李娟等, 2022)。已有研究對(duì)北京地區(qū)采集的548塊基巖樣品的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)不同巖性基巖的熱導(dǎo)率平均值范圍在2.231～4.330 W/(m·K)之間(雷曉東等, 2018)。圖4 給出北京市不同巖性在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得熱導(dǎo)率的極大、極小值和中值, 基巖熱導(dǎo)率顯然比第四系松散沉積物高, 換熱能力相對(duì)較強(qiáng)。K1孔基巖巖性為侵入巖,K2孔主要為粉砂巖和砂礫巖, K4孔為頁(yè)巖和石英砂巖, 巖土熱響應(yīng)測(cè)試獲得熱導(dǎo)率比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試熱導(dǎo)率中值(圖4)偏高, 這是由于實(shí)驗(yàn)室熱導(dǎo)率測(cè)試忽略了地下水流動(dòng)的影響, 可以視為一個(gè)下限數(shù)值,其中 K1孔巖土熱響應(yīng)測(cè)試獲得熱導(dǎo)率最大, 為3.38 W/(m·K), 地埋管換熱器夏季延米排熱量104.2 W/m, 在實(shí)際場(chǎng)地中, 該換熱孔處地下水位埋深8 m, 在埋深20 m及60 m處基巖裂隙水流動(dòng)強(qiáng)烈,強(qiáng)化了地埋管換熱性能, 使熱導(dǎo)率值高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的極大值。因此, 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)得到的地層熱導(dǎo)率是巖土熱傳導(dǎo)和地下水流動(dòng)引起的熱對(duì)流的綜合參數(shù)。

圖4 北京市不同巖性熱導(dǎo)率箱線圖Fig. 4 Box plot of thermal conductivity of different lithologies in Beijing

3.3 地下水徑流

地下水可以傳遞和儲(chǔ)存能量, 能夠把巖土層中熱量帶入或帶出。在淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用深度內(nèi)通常會(huì)伴隨含水層中地下水的流動(dòng), 形成熱對(duì)流, 影響地埋管換熱能力。我們?cè)谖挥诓絽^(qū)的“北京市地?zé)崾痉痘亍睂?shí)地開(kāi)展抽水試驗(yàn)改變?cè)囼?yàn)區(qū)地下水徑流條件, 研究地下水流速對(duì)地埋管換熱能力的影響。該區(qū)地層巖性主要為砂、砂卵礫石與黏性土互層, 水位埋深13 m, 含水層為多層或單層較薄的卵礫石, 顆粒較粗, 厚度約 30 m。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)1眼抽水井和 3眼觀測(cè)井開(kāi)展抽水試驗(yàn), 距離抽水井30 m處布設(shè)1眼換熱孔B, 孔深100 m(圖5), 開(kāi)展巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)區(qū)井孔布設(shè)圖Fig. 5 Location of holes in the test site

換熱孔處地層初始平均溫度 18.5 ℃。表2給出了在天然狀態(tài)和抽水條件下, 換熱孔巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果。天然狀態(tài)下, 換熱孔處地下水流速0.14 m/d, 夏季延米排熱量 45.2 W/m, 巖土平均熱導(dǎo)率1.70 W/(m·K)。抽水井流量28 m3/h時(shí), 換熱孔處地下水流速 0.91 m/d, 夏季延米排熱量50.9 W/m, 巖土平均熱導(dǎo)率1.76 W/(m·K)。與天然狀態(tài)下相比, 地下水流速增加時(shí), 地埋管換熱器處于地下水位以下的部分把巖土層中熱量帶入或帶出的速度也加快, 有利于強(qiáng)化地埋管換熱器與周?chē)鷰r土體之間的換熱效果。

表2 地下水流速與換熱量之間的關(guān)系Table 2 Relationship between groundwater flow rate and heat exchange

地埋管換熱器換熱受地下水影響的大小, 可以用無(wú)量綱貝克萊數(shù)判斷, 它是對(duì)流換熱與熱傳導(dǎo)的比值, 其表達(dá)式為:

式中:wρ—水的密度(kg/m3);cw—水的比熱容(J/(kg·K));v—地下水流速(m/s);L—特征長(zhǎng)度(m),一般為相鄰鉆孔的水平間距, 本文取 4.5 m;λ—多孔介質(zhì)的熱導(dǎo)率(W/(m·K))。

Pe值越大, 對(duì)流換熱所占的比重也越大, 試驗(yàn)區(qū)通過(guò)抽水加快區(qū)內(nèi)地下水流速,Pe值從18增加至113, 熱對(duì)流換熱作用加強(qiáng), 延米換熱量提升了13%, 換熱效率升高。北京平原區(qū)地下水流動(dòng)的總體趨勢(shì)是由山區(qū)向平原、由北西向南東流動(dòng)。山前地帶徑流條件好, 地下水流速一般大于 0.15 m/d,相應(yīng)地Pe＞19; 沖洪積扇頂部向中部含水層水力坡度逐漸減小, 徑流變?nèi)? 沖洪積扇頂部地下水流速一般 0.025～0.15 m/d, 中上部地區(qū)地下水流速一般0.005～0.05 m/d; 沖洪積扇下部地下水徑流條件變差, 地下水流速一般小于0.004 m/d,Pe＜1?？梢钥闯? 以城市為單元, 徑流條件好的區(qū)域地下水流速是徑流條件較差區(qū)域的幾十倍,Pe值也隨之增加。研究發(fā)現(xiàn)Pe＜6時(shí), 換熱量比無(wú)滲流時(shí)增加不超5%, 可以忽略滲流產(chǎn)生的對(duì)流換熱的影響(Wang et al., 2009; 顧吉浩等, 2015)。北京山前地帶、沖洪積扇上部, 地下水流速較大, 有利于提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率; 在沖洪積扇下部, 地下水徑流對(duì)換熱的有利影響相對(duì)減弱。

地下水徑流不僅會(huì)影響地埋管換熱器的換熱性能, 同時(shí)會(huì)影響換熱區(qū)域地溫場(chǎng)的變化, 地下水徑流越強(qiáng), 對(duì)換熱孔下游的熱影響作用也越強(qiáng)。蔡晶晶等(2009)和曾召田等(2015)提出埋設(shè)地埋管換熱器需考慮地下水流動(dòng)的影響, 在順著徑流方向適當(dāng)?shù)卦龃舐窆軗Q熱器之間的間距, 在垂直于徑流的方向可適當(dāng)?shù)販p少換熱器之間的間距, 有效利用地下水流動(dòng)將多余熱(冷)量帶走, 緩解地埋管換熱器周?chē)臒?冷)量堆積, 增加換熱器的進(jìn)回水溫差,提高地埋管的換熱效果(彭濤等, 2017)。

3.4 埋管形式

上文中換熱孔埋管形式均采用傳統(tǒng)雙U型地埋管換熱器, 換熱孔孔徑一般152 mm, 換熱深度不大于150 m, 雙U型換熱器外徑32 mm, 內(nèi)徑26 mm,管內(nèi)循環(huán)流體流量 1.5 m3/h。近年來(lái)套管技術(shù)成為國(guó)內(nèi)地?zé)岵膳夹g(shù)探索的新方向, 其原理與傳統(tǒng)的淺層地?zé)崮軗Q熱技術(shù)相似, 是用同軸套管替換雙 U型地埋管, 循環(huán)流體從外(內(nèi))套管中注入與周邊巖土體進(jìn)行換熱, 到達(dá)套管底部之后, 通過(guò)內(nèi)(外)管向上運(yùn)移將熱(冷)量帶至地表(孔彥龍等, 2017)。

通州區(qū)西集鎮(zhèn)某場(chǎng)地設(shè)計(jì)了4種類型的換熱器,其中H1孔為常規(guī)150 m雙U型埋管換熱器, 埋管外徑32 mm, 內(nèi)徑26 mm; H2孔為300 m雙U型埋管換熱器, 考慮承壓將埋管壁加厚, 外徑 40 mm,內(nèi)徑26 mm; H3孔和H4孔均為增強(qiáng)型同軸套管換熱器(圖6), 深度分別是150 m 和300 m, 換熱器外管為外徑114 mm鋼制套管, 壁厚2 mm, 內(nèi)管為外徑50 mm PE管, 壁厚2.3 mm。內(nèi)管外壁上每2 m周期性敷設(shè)了螺旋環(huán)肋片, 單根螺旋環(huán)肋段長(zhǎng)度0.4 m, 螺旋環(huán)肋厚度為 2 mm, 高度為 23.5 mm,4種不同方式換熱孔埋管截面如圖7所示。

圖6 增強(qiáng)型同軸套管Fig. 6 Enhanced coaxial borehole heat exchanger (BHE)

圖7 換熱孔埋管截面圖Fig. 7 Sectional view of borehole heat exchangers (BHEs)

4個(gè)換熱孔巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)開(kāi)展了初始溫度測(cè)試和恒溫法冬季工況測(cè)試。為了加強(qiáng)換熱效果, 確保管內(nèi)循環(huán)流體為紊流狀態(tài), 套管式換熱器管內(nèi)循環(huán)水體流量為3.5 m3/h。圖8給出了4種埋管形式換熱孔冬季取熱工況下進(jìn)出口溫度及單孔換熱量變化情況, 測(cè)試時(shí)長(zhǎng)不小于 48 h, 地埋管進(jìn)口溫度控制在5 ℃, 隨著換熱孔與周?chē)鷰r土體之間不斷進(jìn)行熱交換, 地埋管換熱器出口溫度基本趨于穩(wěn)定, 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果匯總表Table 3 Summary table of results of rock-soil thermal response tests

對(duì)相同換熱深度不同埋管形式的換熱孔測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果表明套管式換熱器進(jìn)出口溫差小于雙U型, 150 m深換熱器進(jìn)出口溫差由2.74 ℃下降為 1.68 ℃, 300 m 深換熱器進(jìn)出口溫差由6.09 ℃下降為 3.64 ℃, 但由于套管式換熱器管內(nèi)循環(huán)流體的流量增加到 3.5 m3/h, 使得套管式換熱器冬季延米取熱量比雙U型提升了約40%。梅新忠等(2019)曾開(kāi)展過(guò)套管式和雙U型地埋管夏季工況下的排熱對(duì)比試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)型同軸套管的夏季延米排熱量同樣高于雙U地埋管。分析認(rèn)為對(duì)于套管式換熱器, 內(nèi)管位于外管之中, 僅環(huán)形空間中的流體與巖土存在熱交換(Beier et al., 2014), 換熱器外管直徑加大后, 增加了循環(huán)流體與巖土體之間的接觸面積, 并且當(dāng)循環(huán)流體流量增加時(shí), 地埋管中流體參與到與周?chē)鷰r土體換熱的體積增大, 提高了換熱效率。同時(shí)由于內(nèi)管外側(cè)設(shè)置了螺旋環(huán)肋片,在一定程度上增加了流程長(zhǎng)度, 強(qiáng)化了換熱過(guò)程。

同一埋管形式換熱深度從150 m增加至300 m,地層初始平均溫度升高, 有利于取熱, 換熱孔冬季延米取熱量略有升高。雙U換熱孔冬季延米取熱量從32.1 W/m提高至35.5 W/m, 套管換熱孔冬季延米取熱量從46.3 W/m提高至49.5 W/m, 同時(shí)由于換熱深度增加, 300 m換熱孔單孔取熱量約為150 m換熱孔的 2.2倍。夏季排熱情況下, 同樣受地層初始平均溫度升高的影響, 延米換熱量會(huì)隨埋管深度增加而下降(陳旭等, 2010), 但單孔排熱量因?yàn)樯疃仍黾佣龃蟆?/p>

通常, 換熱孔的鉆探費(fèi)用和地下埋管材料費(fèi)用占地源熱泵系統(tǒng)初投資的一半以上。由于套管換熱孔施工工藝相對(duì)復(fù)雜, 初投資成本是雙U換熱孔的2.5倍, 因此, 在場(chǎng)地布孔條件充足的條件下, 雙 U型地埋管一般是更為經(jīng)濟(jì)合理的埋管形式; 當(dāng)場(chǎng)地面積有限時(shí), 可考慮加深換熱孔深度或采用套管式換熱器, 增加單孔換熱量, 減少換熱孔布設(shè)數(shù)量。

4 結(jié)論

不同地質(zhì)條件以及埋管形式, 會(huì)導(dǎo)致地埋管換熱能力產(chǎn)生差異。利用北京市35個(gè)現(xiàn)場(chǎng)換熱孔巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了地層初始溫度、地層巖性、地下水徑流條件以及埋管形式對(duì)地埋管換熱能力的影響, 主要結(jié)論如下:

(1)地埋管換熱能力與其換熱深度內(nèi)地層初始溫度有相關(guān)性, 地層初始溫度較低的區(qū)域夏季排熱效果更好, 地層溫度每變化 1 ℃時(shí), 換熱能力相差8%左右。

(2)基巖熱導(dǎo)率值比第四系松散沉積物大, 換熱能力相對(duì)較強(qiáng), 基巖分布區(qū)地埋管換熱能力比第四系平均高約35%。在基巖地區(qū)利用淺層地?zé)崮苡欣跍p少鉆孔數(shù)量或換熱深度, 但實(shí)際應(yīng)用時(shí), 需充分分析鉆探施工的經(jīng)濟(jì)性。

(3)地下水流速增加, 熱對(duì)流換熱作用加強(qiáng), 當(dāng)?shù)叵滤魉購(gòu)?.14 m/d增至0.91 m/d, 延米換熱量提升13%。在沖洪積平原地區(qū)開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮軙r(shí), 從扇頂?shù)缴染壦畡?dòng)力條件由強(qiáng)變?nèi)? 地下水徑流對(duì)地埋管換熱能力的有利影響會(huì)逐漸減小。

(4)相較雙U換熱器, 套管換熱器冬季延米取熱量提升約40%。換熱深度從150 m增加至300 m, 換熱孔延米取熱量略有升高, 同時(shí)由于換熱深度增加,300 m換熱孔單孔換熱量約為 150 m換熱孔的2.2 倍。在場(chǎng)地布孔條件充足的情況下, 宜采用雙 U型地埋管, 當(dāng)場(chǎng)地面積有限時(shí), 可考慮加深換熱孔深度或采用套管式換熱器。

致謝: 研究過(guò)程中得到了北京市地?zé)嵴{(diào)查研究所柯柏林、張進(jìn)平正高級(jí)工程師的大力支持, 在此一并向給予項(xiàng)目支持的單位和個(gè)人表示衷心感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by Beijing Institute of Geo-exploration Technology (Nos. PXM2018_158203_000010,PXM2018_158309_000002 and PXM2020_158309_000012).