胡波，黎逢良，譚秀全

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100)

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泗河沖洪積扇松散巖土體地溫場(chǎng)自恢復(fù)能力研究

胡波，黎逢良，譚秀全

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100)

泗河沖洪積扇區(qū)域分布厚層松散巖土體，淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用潛力巨大，查明地溫場(chǎng)的溫度自恢復(fù)能力并分析其影響因素，對(duì)地源熱泵工程換熱器的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。筆者開(kāi)展了多組現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，并采用高精度測(cè)溫線(xiàn)纜，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地埋管換熱器周邊不同巖性、不同深度巖土體溫度變化情況，以查明其變化規(guī)律。研究表明：在同種工況下，砂性土的溫度恢復(fù)能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于粘性土，地溫的恢復(fù)主要發(fā)生在負(fù)荷停止的初期。研究區(qū)粘性土溫度自恢復(fù)能力差，巖土體熱物性參數(shù)、地下水徑流條件、埋管循環(huán)水溫度、氣溫及變溫帶深度是影響地溫場(chǎng)恢復(fù)能力的因素。

松散巖土體；地源熱泵；地溫恢復(fù)；泗河沖洪積扇

泗河沖洪積扇松散巖土體厚度大，砂層富水性好，地下?lián)Q熱器施工條件優(yōu)越，地源熱泵技術(shù)因其高效、節(jié)能、環(huán)保，在區(qū)內(nèi)逐步得到廣泛應(yīng)用，但也存在地源熱泵場(chǎng)地勘查評(píng)價(jià)工作不規(guī)范，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系不完善等問(wèn)題[1]。研究區(qū)內(nèi)冬季連續(xù)供暖時(shí)間約120d，夏季連續(xù)制冷時(shí)間不足90d，冷熱負(fù)荷不均衡。若地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)間距、數(shù)量不合理，一個(gè)供暖制冷周期后，巖土體的溫度會(huì)呈單向變化，不能恢復(fù)至初始地溫，進(jìn)而傳熱趨勢(shì)衰減，換熱能力降低，導(dǎo)致熱泵機(jī)組耗能增加。巖土體作為地?zé)崮艿闹饕x存體，其溫度場(chǎng)特征影響熱泵機(jī)組的功耗和系統(tǒng)性能指標(biāo)。遵循地溫變化規(guī)律，提高地溫自恢復(fù)能力，對(duì)降低熱泵機(jī)組能耗，保障工作效率具有重要意義[2-4]。該文通過(guò)研究區(qū)內(nèi)多組熱響應(yīng)試驗(yàn)及地溫監(jiān)測(cè)成果，總結(jié)了在冷(熱)負(fù)荷影響下，不同深度巖土體的溫度變化規(guī)律，著重分析了松散巖土體地溫場(chǎng)自恢復(fù)能力及其影響因素。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

泗河為濟(jì)寧市東部最大的一條河流，發(fā)源于蒙山腹地新泰南部太平頂西麓，西南流入泗水縣境后改向西行，至曲阜市和兗州市邊境復(fù)折西南，在濟(jì)寧市東南魯橋鎮(zhèn)注入南陽(yáng)湖，境內(nèi)全長(zhǎng)136km。泗河沖洪積扇東起曲阜山前，西至濟(jì)寧湖區(qū)，北界在大安—顏店—二十里鋪一帶，南界在小雪—太平橋一帶，面積1093.77km2，東鄰曲阜斷塊和楊柳—戈山丘陵區(qū)，南、北、西分別與鄒西沖洪積平原、汶河沖洪積扇、湖西沖積平原接壤。區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)由泗河多次泛濫改道沉積形成，地面標(biāo)高一般在34～60m之間，整體地勢(shì)東高西低，北高南低，微向西南傾斜。

1.2 巖土體物理特征

研究區(qū)松散巖土體厚度一般大于120m，沉積厚度總體上由北東向南西逐漸增厚，顆粒由粗變細(xì)[4]。全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沉積顆粒較細(xì)，含水砂層連續(xù)性差；中、下更新統(tǒng)沉積顆粒較粗，砂層發(fā)育，透水性強(qiáng)。巖土體主要巖性為沖洪積相的可塑—硬塑狀態(tài)的粘性土及松散—密實(shí)狀態(tài)的砂土，巖性變化復(fù)雜，砂層分布不均[5]。粘性土孔隙率及含水率高，滲透性微弱，砂土透水性較好(圖1、表1)。

圖1 泗河沖洪積扇平面位置圖

巖性粘性土砂土密度(g/cm3)1.70～2.141.90～2.05孔隙率(%)35.4～49.933.9～41.6含水率(%)17.5～33.818.0～25.0滲透系數(shù)(cm/s)1×10-7～1×10-61×10-3～1×10-2

1.3 地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用情況

研究區(qū)開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能處于快速發(fā)展階段，并以地埋管地源熱泵方式為淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用的主要方式，地下水地源熱泵利用案例較少。大部分地源熱泵系統(tǒng)利用在公共建筑上，僅間歇性的運(yùn)行，既不全天運(yùn)行，全年的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間也各有差異，且均沒(méi)有長(zhǎng)期的地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)的地溫監(jiān)測(cè)設(shè)備。地埋管換熱器的施工深度一般為100m，埋管間距在4～5m，換熱層位均為松散巖土體。

2 試驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

2.1 測(cè)試方法

目前現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)是獲取地下巖土體熱理參數(shù)的有效技術(shù)方法，該次試驗(yàn)孔位于研究區(qū)兗州—濟(jì)寧一帶，孔徑180mm，孔深80～120m，下入PEΦ32雙U管及單根測(cè)溫管，孔內(nèi)回填中細(xì)砂。試驗(yàn)采用由天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的FTPT1-1型地層熱響應(yīng)測(cè)試儀，該試驗(yàn)儀可進(jìn)行最高12kw排熱測(cè)試，并實(shí)時(shí)獲取地埋管換熱器的進(jìn)出水口溫度，數(shù)據(jù)采集頻率1次/分鐘。主要測(cè)試手段包括無(wú)負(fù)荷循環(huán)測(cè)試，6kw恒功率熱負(fù)荷測(cè)試，7℃恒溫度冷負(fù)荷測(cè)試，地溫恢復(fù)觀(guān)測(cè)(圖2)。采用總線(xiàn)式測(cè)溫線(xiàn)纜及TD-016C高精度溫度采集儀，監(jiān)測(cè)不同深度地溫變化情況，數(shù)據(jù)采集頻率1次/小時(shí)。測(cè)溫線(xiàn)纜中按一定間距設(shè)置了WD-016A型傳感器(精度0.1～0.2℃),采集數(shù)據(jù)以GPRS方式傳輸至云平臺(tái)，供后期分析處理。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 巖土體熱物性及熱響應(yīng)特征

測(cè)試孔位于120m深度以淺，廣泛分布第四系松散巖類(lèi)。上部砂土巖性以粉砂、細(xì)砂為主；下部砂土巖性以中、粗、礫砂為主。上部粘性土多為棕褐、黃褐色，可塑—硬塑，略具膨脹性，下部粘性土多為棕褐色、藍(lán)灰色，硬塑—堅(jiān)硬。

熱響應(yīng)試驗(yàn)采用恒定熱流法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理主要基于線(xiàn)熱源模型，試驗(yàn)時(shí)只需要記錄地埋管進(jìn)出口水溫值、管內(nèi)流量、時(shí)間3組數(shù)據(jù)，并擬合出線(xiàn)性方程，即可利用方程的斜率、截距，求得實(shí)際條件下巖土體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)[6-14]。通過(guò)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試成果和土樣室內(nèi)熱物理測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：自然條件下受地下水徑流影響，熱量加速擴(kuò)散，野外熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)得的熱擴(kuò)散率高于室內(nèi)測(cè)試結(jié)果(表2)。

表2 研究區(qū)松散巖土體熱理指標(biāo)

3 巖土體溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

3.1 恒功率排熱模式下的地溫動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

在JD3孔6kw制熱模式下，開(kāi)始制熱的15h內(nèi)，不同深度巖土體溫度迅速上升約8℃，后趨于平穩(wěn)，制熱歷時(shí)57h；停止制熱后保持水泵的運(yùn)作，巖土體溫度下降8℃，耗時(shí)約30h，后地溫緩慢恢復(fù)，經(jīng)觀(guān)測(cè)622h后，115m深地溫方能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)。在制熱階段的后程及無(wú)功循環(huán)階段，巖土體溫度隨氣溫波動(dòng)變化明顯，水泵停止工作后，氣溫變化對(duì)深部巖土體溫度影響甚微(圖3、表3、表4)。

在JD9孔6kw制熱模式下，開(kāi)始制熱的6h內(nèi)，不同深度巖土體溫度迅速上升約8℃，后上升速率減緩，制熱歷時(shí)48h；停泵后20h地溫迅速降低，而后漸緩，經(jīng)觀(guān)測(cè)408h后，80m深處巖土體溫度方能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)；無(wú)功循環(huán)階段埋管內(nèi)循環(huán)水?dāng)_亂了初始地溫場(chǎng)，使不同深度巖體溫度趨于統(tǒng)一；受氣溫影響，5m深巖土體溫度初期恢復(fù)較快，后期反而較其他深度慢(表5、表6、圖4)[6-9]。

圖3 JD3孔不同深度地溫變化曲線(xiàn)(埋管深120m)

層號(hào)埋深(m)巖性層號(hào)埋深(m)巖性層號(hào)埋深(m)巖性10.0～6.0粉質(zhì)粘土944.8～56.8粘土1783.5～91.5粘土26.0～12.0中細(xì)砂1056.8～60.0中細(xì)砂1891.5～95.0中細(xì)砂312.0～20.0粘土1160.0～66.0粘土1995.0～101.0粘土420.0～22.0中細(xì)砂1266.0～69.7中細(xì)砂20101.0～104.9中粗砂522.0～31.9粉質(zhì)粘土1369.7～72.4粉質(zhì)粘土21104.9～109.4粘土631.9～37.0中細(xì)砂1472.4～79.0中細(xì)砂22109.4～111.0中粗砂737.0～39.5粉質(zhì)粘土1579.0～79.8粉質(zhì)粘土23111.0～116.9粘土839.5～44.8中細(xì)砂1679.8～83.5中細(xì)砂24116.9～120.0中細(xì)砂

表4 JD3孔不同深度巖土體溫度恢復(fù)時(shí)間

表5 JD9孔地層結(jié)構(gòu)

表6 JD9孔不同深度巖土體溫度恢復(fù)時(shí)間

3.2 排冷熱模式下的地溫動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

在JD7孔排冷模式下，在開(kāi)始排冷的15h內(nèi)，不同深度巖土體溫度迅速下降了約5℃，由于循環(huán)水溫度為恒7℃，制冷后半程地溫變化緩慢，總歷時(shí)53h；停泵后20h地溫迅速回升，而后漸緩，經(jīng)觀(guān)測(cè)223h后，100m深處巖土體溫度方能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)(圖5、表7、表8)。

圖5 JD7孔不同深度地溫變化曲線(xiàn)(埋管深120m)

層號(hào)埋深(m)巖性層號(hào)埋深(m)巖性層號(hào)埋深(m)巖性10.0～3.5素填土538.5～41.4中粗砂978.8～83.0中粗砂23.5～24.8粉質(zhì)粘土641.4～49.4粉質(zhì)粘土1083.0～104.2粉質(zhì)粘土324.8～32.6中粗砂749.4～71.5中粗砂11104.2～106.8粗礫砂432.6～38.5粘土871.5～78.8粉質(zhì)粘土12106.8～120.0粉質(zhì)粘土

表8 JD7孔不同深度巖土體溫度恢復(fù)時(shí)間

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)試驗(yàn)后粘性土地層溫度恢復(fù)緩慢，在自然條件下需要數(shù)百個(gè)小時(shí)方能恢復(fù)其初始溫度，與其成分及熱物理特性有重要關(guān)系[6-9]。粘性土主要由鋁、鎂硅酸鹽礦物組成，該類(lèi)礦物易吸水，顆粒極細(xì)(<0.005mm)，具塑性，多呈絮狀結(jié)構(gòu)，團(tuán)狀構(gòu)造。上述因素造就了粘性土高孔隙率，高含水率的特征，其孔隙率及含水率遠(yuǎn)高于基巖，由于水的比熱容要遠(yuǎn)大于礦物固體骨架的比熱容，天然狀態(tài)下的粘性土比熱容要高于基巖，熱擴(kuò)散性能低于基巖，即熱量在粘性土內(nèi)部傳遞的更慢一些，因此在吸收同樣熱量的前提下，松散的巖土體需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)恢復(fù)到初始地溫。

(2)在同種工況下，砂性土的溫度恢復(fù)能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于粘性土，因?yàn)樯靶酝林饕煞譃殚L(zhǎng)石及石英，顆粒粒度大，孔隙直徑大，滲透性強(qiáng)(比粘性土高出約4個(gè)數(shù)量級(jí))，更利于地下水的徑流，而地下水徑流帶走了土體中的熱量，加速了砂土溫度的恢復(fù)。

(3)地埋管中的循環(huán)水會(huì)將熱量從埋管周?chē)鷾囟雀叩膸r土體傳遞至低處，使試驗(yàn)孔不同深度巖土體溫度趨于統(tǒng)一，在地溫分層監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)中體現(xiàn)為多點(diǎn)地溫曲線(xiàn)由分散到緊束。

(4)氣溫對(duì)5m以淺的巖土體溫度影響較大，對(duì)10m以下深部巖土體溫度影響輕微，表現(xiàn)在淺部巖土體溫度與氣溫相差大時(shí)，會(huì)以較快的速度恢復(fù)至氣溫值附近，而后受晝夜交替影響，呈波動(dòng)上升或下降，而深部巖土體溫度不隨晝夜的交替波動(dòng)。在無(wú)功循環(huán)階段，儀水箱內(nèi)的循環(huán)水溫度受環(huán)境影響變化與地溫產(chǎn)生溫差，循環(huán)水流經(jīng)不同埋管深度釋放熱量，使得不同深度巖土體溫度均會(huì)隨晝夜交替而輕微波動(dòng)[15-16]。

(5)雖然地溫恢復(fù)時(shí)間愈長(zhǎng)，愈接近巖土體初始溫度，但到達(dá)一定程度后，溫差值變化不大，說(shuō)明地溫的恢復(fù)主要發(fā)生在負(fù)荷停止的初期，而后期的恢復(fù)速率很慢。因?yàn)樵诘販鼗謴?fù)初期，巖土體溫度與周邊巖土體溫差大，單位時(shí)間換熱量大，溫度變化也非常迅速，隨著恢復(fù)過(guò)程的延續(xù)，上述溫差逐漸減小，換熱量也減小，溫度變化趨于平緩。

5 工程實(shí)例分析

研究區(qū)中部某小型辦公樓建于2016年，高2層，建筑面積約1000m2，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖，埋管管材為DN32型PE100單U管，數(shù)量26根，埋管間距4.5m，埋管深度100m。在其中一根埋管壁外置入了100m2長(zhǎng)的地溫監(jiān)測(cè)線(xiàn)纜，用于監(jiān)測(cè)地溫變化情況。該辦公樓內(nèi)熱泵機(jī)組處于供暖模式間歇運(yùn)行13d，每天供暖約9h，測(cè)得監(jiān)測(cè)孔不同深度地溫變化曲線(xiàn)(圖6)。經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組13d的運(yùn)行，監(jiān)測(cè)孔周邊地溫并未持續(xù)下降。供暖周期的前幾日，室內(nèi)溫度較低，熱泵機(jī)組以較高負(fù)荷運(yùn)行，埋管與土體換熱量較大，地溫降幅也大；因建筑本身節(jié)能保溫效果較好，隨著供暖的持續(xù)，熱泵機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷也逐漸降低，埋管與土體的換熱量減小，地溫降幅趨于穩(wěn)定[17]。單日情況下，在熱泵機(jī)組運(yùn)行供暖的9h期間，地溫驟降；供暖結(jié)束后，地溫能在15h內(nèi)迅速恢復(fù)至距初始地溫約0.5℃，能夠保證下一個(gè)供暖日熱泵機(jī)組正常運(yùn)行。

圖6 工程監(jiān)測(cè)孔不同深度地溫變化曲線(xiàn)

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)粘性土比熱容高，熱擴(kuò)散性能差，溫度恢復(fù)能力差。巖土體熱物性對(duì)溫度恢復(fù)有明顯的影響，顆粒粒度大、孔隙直徑大、滲透性強(qiáng)的砂性土溫度恢復(fù)能力遠(yuǎn)高于粘性土。地下水徑流條件、埋管循環(huán)水溫度、氣溫及變溫帶深度也影響著地溫場(chǎng)的恢復(fù)。

(2)按實(shí)際需求分階段間歇運(yùn)行熱泵，能夠使巖土體溫度在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至接近初始地溫，提高熱泵的工作效率，降低能耗。

(3)為消除(減緩)埋管區(qū)域巖土體熱(冷)堆積，可在制冷(供暖)期結(jié)束后保持埋管內(nèi)的水循環(huán)一段時(shí)間，加速巖土體深部與變溫帶的熱量交換，在一定程度上平衡熱(冷)堆積。

(4)改善地下水徑流條件，可加速巖土體溫度的恢復(fù)，可鼓勵(lì)開(kāi)展地埋管-地下水結(jié)合式熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

(5)試驗(yàn)均為單孔測(cè)試，缺乏對(duì)群孔溫度干涉影響的觀(guān)測(cè)分析，須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)大型工程熱泵開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

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Study on Geothermal Field Recovery Ability of Soil in Alluvial-proluvial Fan in Sihe River

HU Bo, LI Fengliang, TAN Xiuquan

(Lunan Geo-Engineering Exploration Institute，Shandong Jining 272000，China)

The rock and soil mass with great thickness distributed in the alluvial-proluvial fan in Sihe River. Shallow geothermal energy has enormous exploitation and utilization potentiality. Finding out the temperature self-recovery capacity of the rock and soil mass and analyzing the influencing factors will provide important reference for engineering design of ground-source heat pumps. Many groups of thermal response tests have been carried out. By adopting high-precision temperature measuring cables, changes in the temperature of the rock and soil mass with different lithologies and different depths around the ground heat exchanger have been monitored in a long period. It is showed that the temperature recovery ability of sandy soil is much stronger than that of cohesive soil under the same conditions, and the recovery of soil temperature mainly occurs at the early stage of load stopping. The cohesive soil in the study area has bad temperature self-recovery capacity, main factors that influence the geothermal field self-recovery include thermophysical parametersof the rock and soil, runoff conditions of underground water, buried pipe circulating water temperature, air temperature and the depth of temperature changing zones.

Loose rock mass; ground-source heat pump;geothermal fieldself-recovery; Alluvial-proluvial fan in Sihe River

2016-12-27；

2017-02-09；編輯：曹麗麗 基金項(xiàng)目：山東省國(guó)土資源廳，濟(jì)寧市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)，魯國(guó)土科字(2015)002號(hào) 作者簡(jiǎn)介：胡波(1986—)，男，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：foxuan@163.com

胡波，黎逢良，譚秀全.泗河沖洪積扇松散巖土體地溫場(chǎng)自恢復(fù)能力研究[J].山東國(guó)土資源，2017,33(7)：55-60. HU Bo, LI Fengliang, TAN Xiuquan.Study on Geothermal Field Recovery Ability of Soil in Alluvial-proluvial Fan in Sihe River[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：55-60.

P619.241

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