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郑州市某浅层地热能勘查项目岩土热物性测试分析

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2014年第5期(总第42卷第279期) doi:10.3969/j.issrt.1673—7237.2014.05.008 建筑节 能 ■新能源及其应用 郑州市某浅层地热能勘查项目岩土热物性测试分析术 孙君超・, 黄峙 , 放 , 雷飞z, 朱娜 , 邬田华 430074) 华中科技大学,武汉(1.河南省地矿局第五地质勘查院,郑州I 450001;2.摘要: 浅层地热能勘察评价是浅层地热能开发利用的基础。介绍了岩土热物性测试仪的组成及工作 原理,并将其应用于郑州市浅层地热能调查评价项目中进行岩土热物性测试现场热响应实 验。本项目对郑州地区的两个测试孔分别进行不同加热功率条件下的现场热响应试验 传热 模型采用钻孔内的二维模型及钻孔外的线热源模型,数据处理采用和双参数估计法,并利用 Maflab软件最优化技术编程得到了岩土的综合导热系数和容积比热容,并对结果进行了分析 和讨论。 关键词: 浅层地热能; 勘察; 地源热泵; 热响应试验; 加热功率; 导热系数 中图分类号:TU83l 文献标志码: A 文章编号: 1673—7237(2014)05—0028—04 Rock and Soil Thermal Physical Properties in a Shallow GeothermaI Energy Project Located in Zhengzhou Area SUN Jun—chao ,HUANG Zhi 2,HU Ping-fang z,L 27 ZHU Na 2 Tian-hua (1.No.5 Institute ofGeo—exploration ofHenan,Zhengzhou 450001,China; 2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:The use of shallow geothermal energy is based on shallow geothermal enery explgoration. The paper presents the application of thermal response test in the shallow geothermal enery gproject located in Zhengzhou area.The project is tested by a thermal response test rig with two diferent heat injection rtesa in two separated boreholes.The two-dimensional model inside borehole and the linear heat source model outside borehole are used s tahe heat transfer models.The thermal conductivity and heat capacity of soil is calculated by the two—variable parameter estimation nd aP C ^The test resuhs are analyzed. Keywords:shallow geothermal energy;exploration;ground source heat pump(GSHP);thermal response test(TRT);heat inj ection;thermal conductiviy tO 引言 随着人类社会的飞速发展,煤、石油、天然气等不 可再生能源的消耗日益加剧,由此带来了诸如“温室 效应”、“酸雨”等一系列环境问题。浅层地热能作为一 种清洁可再生能源,越来越受到人们重视。 埋管地源热泵系统来开发利用。地埋管地源热泵作为 一种利用浅层地热能的有效方式,在环保效益等方面 跟其他系统相比具有明显优势,近年来在我国也取得 了广泛的关注与发展。地埋管地源热泵是通过地埋管 换热器与周围土壤进行换热的方式来利用浅层地热 能的,因此地埋管换热器换热能力对于地埋管地源热 泵系统节能效益起着决定性作用。文献[2]研究表明, 如果地下岩土导热系数测试发生10%的误差,则设计 的地下埋管长度偏差将达到4.5%~5.8%。所以现场 准确测量岩土热物性参数,尤其是地埋管换热器周围 岩土的综合导热系数和容积比热容这两个参数,对于 浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度范围 内岩土体,地下水和地表水中具有开发利用价值的热 能(通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下 200m以内,温度低于25℃的热能) 1。浅层地热能勘 察评价是浅层地热能合理利用、科学管理的基础与依 据,对浅层地热能的可持续利用、减少后期开发风险 等有着重要意义。目前,国内浅层地热能主要通过地 收稿Et期:2013.12—24;修回日期:2014.01—19 浅层地热能勘察评价及地埋管换热器设计计算至关 重要。笔者通过对郑州市某浅层地热能勘查项目测 基金项目:国家自然科学基金资助项@(51078160);武汉市创新体系 与环境建设计 ̄U(2Ol 160638172) 试,获得了当地的岩土综合导热系数和容积比热容的 值,分析了岩土热响应试验中加热功率的大小对测试 孙君超。等:郑州市某浅层地热能勘查项目岩土热物性测试分析 结果的影响。 裸露管段进行外保温,避免热量损失。测试过程开始 1测试装置及原理 本测试采用华中科技大学研制的电加热式岩土 热物性测试仪,岩土热物性测试仪组成及测试原理示 意图见图1。 后,先开启水泵,驱动管内循环液,待管内空气全部排 除且系统运行稳定后,再开启电加热器加热循环液, 循环液通过u型管与土壤换热之后,再次进入保温水 箱循环。与此同时,数据采集系统每隔1 min记录 1次U形管进出口循环液温度、循环液流量和加热功 率等实验数据。测试结束后,通过对实验数据进行分 析计算得到岩土热物性参数。 2测试过程 l≠}测试孔位于郑州市经济开发区经北五路水利 工程局院内,北纬34。43 58.3”,东经113。43 57.6”。 热响应试验在测试孔成孔48 h后进行。第一次测试 时间自3月8曰14:52开始至3月10目14:53结 束,历时48 h;第二次测试自3月25日13:56开始 到3月27目13:57结束,历时48 h。两次测试间隔 时间为15 d,第二次测试开始前,地下土壤温度已恢 复到原始地温,故可认为两次测试为相互实验。 2}≠测试孔位于郑州市南丰街地矿局物资仓库院 内,北纬34。47 5.1”,东经113。38 37.2”。热响应试 验在测试孔成孔48 h后进行。第一次测试时间自 1.水泵;2.电加热器;3.流量计;4.膨胀水箱;5.排气管;6.温度传感器②; 4月6日15:24开始至4月8日15:25结束,历时 7.阀门;8.压力表;9.温度传感器①;10 水管连接处;1 1.进水管连接处 图1岩土热物性测试仪组成及测试原理示意囱 48 h;第二次测试自4月12日2:00开始到4月 14日2:01结束,历时48 h。两次测试间隔时间为 工作原理与过程:测试开始前,将测试井中预埋 的u型管管头与岩土热物性测试仪的进出水管连接 处(图1中的10和11)连接,组成闭式循环系统,并将 4 d,第二次测试开始前,地下土壤温度已恢复到原始 地温,故可认为两次测试为相互实验。 具体的测试孔相关参数如表1所示。 表1测试孔相关参数 3测试数据分析 3.1传热模型 3.1.1钻孔内传热过程及热阻 (i,j=1、2、3、4),并且有R 2 ̄"-'R14。 根据Hellstrom[4]的解,各项热阻的表达式分 别为: 双U型埋管的横截面示意图如图2所示。假设 4根支管在钻孔中是中心对称分布的,中心距为2D。 =根据文献【3】中所述的二维模型,则有: =3 -2zcA击 +猎・hc专 卜 去 志 + ・ ] 籍・hc嘉)] 一,b 由于4根支管对称分布,故有 =Ri 、置 =R 式中地下埋管管壁导热热阻: 孙君超,等:郑州市某浅层地热能勘查项目岩土热物性测试分析 去 ㈩ 循环介质对流换热热阻: = 进一步简化假设各个支管内循环液温度及热流 密度分别相等,可得: =(Rl1+2R12+墨3)/4 (5) 将(2)、(3)、(4)代入(5)中可推导出双U型地埋管 钻孔内热阻计算公式如下: = 去[ f,立4roD3)]+猎・ [ ]]+击・ ㈢+ 其中,r0为地埋管外半径,m; r;为地埋管内半径,m; rh为钻孔半径,m; D为最远2根地埋管中心距的50%; A 为回填材料导热系数,W/(m・K); A 为岩土综合导热系数,W/(m・K); A。为地埋管管壁导热系数,W/(m・K) P c。为岩土容积比热容,J/(m・K); Rh为钻孔内传热热阻,irl・K/W; T 为钻孔壁温度,℃; Tf 为无穷远处土壤温度,℃; q。为单位长度埋管释放的热流量,W/m。 3.1.2钻孔外模型 根据文献[5],采用线热源模型,T时刻循环液平均 温度为: 小+去锄(篱]] 式中:Ei(x)=I ‘) dS为指数积分函数; 为欧拉常数, —O.577 216。 3.2数据处理方法 式(6)和式(7)组成了地埋管内循环液与周围岩土 的换热方程,方程中有2个未知参数:岩土的综合导 热系数A 和容积比热容P C 。采用双参数估计法,通 过Matlab软件采用最优化技术编程即可求得上述 2个参数。 3-3实验数据记录 图3和图4分别表示l撑测试孔两次测试过程中 进出口循环液平均温度和加热功率实测值。图5和 图6分别表示2j}j}测试孔两次测试过程中进出口循环 液平均温度加热功率实测值。从图中可以看出,每次 测试的加热功率波动都不大,可以用线热源模型进行 处理。同时,为了排除流量对测试结果的影响,l≠}测 试孔前后两次测试的平均流量分别控制在1.45 m3/h 和1.46 m3/h,2≠}测试孔前后两次测试的平均流量均 控制在I.40mVh。 3.4测试结果及分析 对2个测试孔分别进行两次测试后,其计算结果 如表2所示。 从表2中数据可以看出,当1≠}和2≠}测试孔的前 后两次测试功率分别增大72.9%和92.6%时,计算所 得的岩土综合导热系数均随之增大,增大幅度分别为 9.1%和6.6%。此结果与北京工业大学宋春节等人的 研究结果相符合[6]。这种现象的出现,是因为地埋管换 热器与周围土壤的换热使得测试孔内外的地下水存 在温度梯度并导致密度差,因而加快了原始地下水渗 流速度,增强了对流换热。加热功率越大,地下水渗流 速度越快,对流换热就越强,故所测得的岩土综合导 热系数越大[刀。所以不同的测试功率对现场热物性测 试结果有一定影响,进行区域地热能储存与适宜性评 价以及地埋管换热器设计时应该考虑此点。 应该指出,本文仅根据规范要求进行了两个不同 功率的热响应测试,欲深入探讨功率影响可进行进一 步的研究。 4结论 本文通过某浅层地热能勘查项目对郑州地区的 2个测试孔进行不同功率的测试,发现在流量保持不 变的情况下,不论有效埋管深度及钻孔直径的大小变 化,测试所得的岩土综合导热系数均随功率的增加而 呈现增大的趋势。这说明现场热响应实验中功率的大 小选择会对测试结果造成一定程度的影响。同时,本 p\越赠 孙君超,等:郑州市某浅层地热能勘查项目岩土热物性测试分析 50 45 40 … ,一-r。f  ^ ‘ ‘ 、 一一一 辩 兰 料 耻  , , - 35 , ’ / r 30 ,’ ——一 25 :/,一 f J 一… 嗍 III1I 2O ,、 …~ J 15 10 } 昂一 u氓TJ自外散十明;丑发r l  I… …… V… “……一一|一『 L H“ ’; —— 第二次测试循环液平均温度f 500 1 000 第二次测试加热功率『 2 500 3 000 3 500 1 500 2 000 时间/min 图4 1 测试孔加热功率实测值 5O 45 4O . 《 凝 i: 35 一’一 钐, 3O 一 芝 槲 赠 25 2O , / / / l 、.L,口.……~- 。. Ⅲ~ .. l5 ~一 …一I J 500 1 000 lO 第二次测试循环液平均温度I 3 000 3 500 O 砜佣卟’似 _嗄r I I…… ~^m …^一…… …H m…—  第二次测试加热功率1 2 500 3 000 3 500 0 1 500 2 000 2500 500 1 000 1 500 2 000 时间/n1jn 时间/min 图6 2群测试子L加热功率实测值 图5 2 测试孔埋管进出口循环液平均温度 表2测试数据及计算结果 文通过对郑州地区进行浅层地热能勘察得出的岩土 综合导热系数可作为区域地热能储存与适宜性评价 等的参考。 参考文献: [1JDZ/T0225--2009,浅层地热能勘查评价规范[S】北京:中国标准出版 .社.2009. [2]Kavanaugh S P.Field tests for ground thermal properties method and lmpact On ground source heat pump[J].ASHRAE Transactions1998.104 .(2):347—355. 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[4]陈武,蔡振雄,周兴禧.一拖三变频空调系统建模方法及控制研究[J]. 高或下降就越陡峭。 (2)第二阶段:当室内空气温度达到设定温度后, 室内空气平均温度的变化就趋于某个固定值。这时空 调器提供的冷量或热量主要是负担空调房间的冷、 热、湿负荷。这个阶段空调房间的冷、热、湿负荷主要 是室外环境和房间内部进行的能量交换。 参考文献: [1】付祥钊.中国夏热冬冷地区建筑节能技术[J】.新型建筑材料,2000,(6): l3.17. 系统仿真学报,2004,16(10):2123—2127. [5]赵荣义.空气调节[M】.北京:中国建筑工业出版社,1994. [6】龙恩深.各种因素综合作用下任意房间的空气温变特性的理论研 究[J].重庆:重庆大学出版社,2002:23—27. [7】龙恩深.冬季空调房间间断运行室内温度特性及节能潜力的理论与 实验研究[J]_西部制冷,2003,(9). 作者简介:韩漪(1978),女,陕西扶风人,毕业于长安大学,硕士,讲 师,建筑设备与环境工程专业,从事建筑工程方向的研究 (363677084@qq.corn)。 [2]Baker A J,Williams P T,Kelso R M.Numerical Calculation of Room ,Mr Motion—Part 1:Math,Physics,and CFD Modeling[J].ASHRAE Trans— actions,1994,100:514・530. (上接第27页)与优化设计研究[J].建筑科学,201 1,27(1):4—8. [3]金虹,咸真珍,赵华,等.哈尔滨地区居住小区风环境模拟分析及规划 布局对策.中国建筑协会建筑师分会建筑技术专业委员会.绿色建筑与 建筑技术[M】.北京:中国建筑工业出版社,2006:601—605. 【4】王珍吾.建筑群布局与自然通风关系的研究【J].建筑科学,2007,23(6): 24—27. 【6】杨立国,金海,金新阳,等.居住区风环境与室内自然通风联合仿真计 算的研究[cw第十四届全国结构风工程学术会议论文集(下册),2009. 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