摘 要：勘查評(píng)價(jià)淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)條件及換熱能力是高效開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源的關(guān)鍵基礎(chǔ)，對(duì)高效、可持續(xù)利用淺層地?zé)崮芷鹬e足輕重的作用。不同區(qū)域地質(zhì)條件千差萬(wàn)別導(dǎo)致地下?lián)Q熱效果不同，目前現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，是地埋管地源熱泵系統(tǒng)區(qū)域調(diào)查評(píng)價(jià)和應(yīng)用項(xiàng)目場(chǎng)地勘查中，采用的重要勘查手段。通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)獲得地溫場(chǎng)初始地溫、巖土體的熱物性參數(shù)，計(jì)算得出每個(gè)地埋孔的換熱能力即換熱功率，可為評(píng)價(jià)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)域的淺層地?zé)釗Q熱功率提供依據(jù)，指導(dǎo)地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)地層初始地溫、不同測(cè)試功能測(cè)試所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行了對(duì)比及應(yīng)用分析，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)的科學(xué)合理應(yīng)用，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn);初始地溫;穩(wěn)定工況;穩(wěn)定熱流

中圖分類號(hào)：TU83? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）04-0005-05

Abstract： Exploration and evaluation of shallow geothermal geological conditions and heat transfer capacity is the key basis for efficient development of shallow geothermal resources， which plays an important role in the efficient and sustainable utilization of shallow geothermal energy. Different geological conditions in different regions lead to different underground heat transfer effects. At present， in-situ thermal conductivity test is an important exploration method used in regional investigation and evaluation of buried pipe ground source heat pump system and site exploration of applied projects. The original ground temperature and thermal physical parameters of rock and soil are obtained by field thermal response test. Calculating heat transfer capacity of vertical ground heat exchanger. It can provide a basis for evaluating the shallow geothermal heat exchanger power in the suitable area of ground source heat pump system with buried pipes， and guiding the design of ground heat exchange system for ground source heat pump system with buried pipe. This paper mainly analyses the comparison and application of the data obtained from the original ground temperature and different test functions. It has important reference significance for guiding the scientific and rational application of field thermal response test.

Keywords： In-situ thermal conductivity test; Initial ground temperature; Steady working condition; Steady heat flow

0 前言

隨著綠色發(fā)展理念、加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)、清潔供暖戰(zhàn)略的提出，國(guó)家一系列規(guī)劃及鼓勵(lì)政策相繼出臺(tái)，使清潔環(huán)保、可再生的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，迎來了廣闊的發(fā)展前景。地埋管地源熱泵系統(tǒng)，因其不受地下水資源條件的限制、運(yùn)行安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速。而地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)目的是使地上、地下系統(tǒng)用能與資源條件相匹配，避免造成因地下設(shè)計(jì)不足使系統(tǒng)工作效率下降，甚至導(dǎo)致主機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行或設(shè)計(jì)偏大造成系統(tǒng)初期投資增加及土地資源的浪費(fèi)。

如何通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)準(zhǔn)確地獲取巖土體換熱能力，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國(guó)外尤其歐美一些國(guó)家，對(duì)地埋管地下?lián)Q熱器換熱量測(cè)試設(shè)備的研究方面投入了大量的工作。早期的測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單的采用電加熱器模擬夏季工況向地下排熱，從而測(cè)試地埋管換熱器的換熱量，這種方法比較簡(jiǎn)單。瑞典于1995 年研制了最早的地埋管換熱器測(cè)試儀 TED，該測(cè)試儀由一個(gè) 85L的水箱、一臺(tái) 1kW 的循環(huán)水泵和一臺(tái) 3～12kW 逐級(jí)調(diào)節(jié)的電加熱器組成。美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、挪威、土耳其等國(guó)家，也相繼開發(fā)了功能及原理與瑞典開發(fā)的類似的測(cè)試裝置（畢文明等，2007）。后來許多國(guó)家研制了能夠模擬冬、夏兩個(gè)季節(jié)，即具有吸、排熱工況的測(cè)試設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界共有約 32 個(gè)國(guó)家開展了熱響應(yīng)測(cè)試的研究與應(yīng)用工作，主要分布于歐洲、北美洲和亞洲，測(cè)試儀器的形式有拖車式、手提箱式、整體集裝箱式、分體式等。大部分的熱響應(yīng)測(cè)試方法采用的是單一放熱工況，主要是因?yàn)榕艧峁r更容易實(shí)現(xiàn)。中國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)探索采用了放熱與取熱雙工況的測(cè)試方法，約占統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的10%（沈亮等，2016;李鵬等，2019）。雙工況測(cè)試一般用一臺(tái)熱泵取代了原來的電加熱裝置。隨著研究的深入和實(shí)踐的發(fā)展，國(guó)內(nèi)地勘單位對(duì)地下?lián)Q熱系統(tǒng)換熱能力方面的研究取得一些成果，測(cè)試設(shè)備研制不斷完善，已相繼研發(fā)出幾代設(shè)備和計(jì)算軟件。北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局參與編寫的地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0225—2009）中，給出了根據(jù)地埋管換熱器傳熱系數(shù)計(jì)算單孔換熱功率的方法，另外，結(jié)合多年的研究成果參與編寫的北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（DB11/T 1253—2015）中提出了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的內(nèi)容和技術(shù)要求，包括巖土初始平均溫度測(cè)試的方法，穩(wěn)定熱流、穩(wěn)定工況測(cè)試的要求等，進(jìn)一步指導(dǎo)并規(guī)范了行業(yè)發(fā)展。

1 測(cè)試原理及主要功能

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試儀的水路循環(huán)部分與所要測(cè)試的地埋管換熱器相連接，形成閉式環(huán)路，通過儀器內(nèi)的循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的水不斷循環(huán)，測(cè)試儀能夠提供一個(gè)能量穩(wěn)定的且可調(diào)節(jié)的熱（冷）源，提供的熱（冷）量通過循環(huán)水，傳導(dǎo)給地埋管換熱器，最終釋放到大地或從地下吸熱。運(yùn)行過程中，測(cè)試儀記錄地埋管換熱器的進(jìn)出水溫度、循環(huán)水流量以及加熱功率等參數(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)測(cè)試設(shè)備按照運(yùn)輸形式大致分為便攜式（如柜式）和車載式，按照測(cè)試功能大致分為穩(wěn)定熱流型和穩(wěn)定工況型。這些設(shè)備大多采用電加熱器，有些采用風(fēng)冷熱泵或者風(fēng)冷熱泵和電加熱器聯(lián)合作為循環(huán)系統(tǒng)冷熱源，向地埋管換熱器提供穩(wěn)定的熱量或者建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運(yùn)行工況，地下巖土體對(duì)熱量的響應(yīng)情況反映到地埋管換熱器進(jìn)、出水溫度的變化，系統(tǒng)中的流量是已知的，從而計(jì)算獲得地埋孔的熱物性參數(shù)、換熱能力等相關(guān)參數(shù)。

2 不同測(cè)試功能所得數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試可分為巖土初始平均溫度測(cè)試，穩(wěn)定熱流、穩(wěn)定工況熱響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果是特定、復(fù)雜的地質(zhì)條件下，包含著多種巖土體在溫度梯度和水力梯度共同作用下的的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流影響的綜合參數(shù)。

2.1 巖土體初始地溫測(cè)試

理論上定義巖土體初始平均溫度為從自然地表下10～20m至地埋管換熱器埋設(shè)深度范圍內(nèi)，巖土體常年恒定的平均溫度。實(shí)際測(cè)試中則以測(cè)試孔中地埋管換熱器長(zhǎng)度內(nèi)的平均溫度表示巖土體初始平均溫度，這也造成不同測(cè)試時(shí)間測(cè)試結(jié)果可能存在較小的誤差。初始地溫直觀反映了當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性及換熱效果。

淺層地?zé)崮艹跏嫉販販y(cè)試的方法，包括埋設(shè)傳感器、無(wú)功循環(huán)法、水溫平衡法。布置傳感器法可根據(jù)傳感器埋設(shè)位置的不同，分為勘查測(cè)試孔的地埋管外埋設(shè)或單獨(dú)埋入常溫監(jiān)測(cè)孔中，較為常用的是在地埋管不同深度埋設(shè)溫度傳感器，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)值，計(jì)算每個(gè)溫度傳感器測(cè)量值的算術(shù)平均值作為其所在地層的溫度值，再計(jì)算所有地層溫度值的算術(shù)平均值或按地層的加權(quán)平均值得到地層的初始溫度。無(wú)功循環(huán)是指在不向地埋管加載冷、熱量的情況下，使水在地埋管內(nèi)循環(huán)，在循環(huán)水的溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)循環(huán)水與巖土達(dá)到熱平衡，該溫度即可代表巖土體初始平均溫度。水溫平衡法（參考技術(shù)規(guī)范DB11/T 1253—2015）是工作實(shí)踐發(fā)展過程中總結(jié)的新方法，地埋管安裝完成足夠時(shí)間后，管內(nèi)的水與巖土體的溫度達(dá)到平衡，此時(shí)通過水泵循環(huán)將PE管內(nèi)的水泵出，計(jì)算不同深度流到出口的時(shí)間，同時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的變化，分析巖土體溫度的方法。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，3種方法測(cè)試結(jié)果非常接近，均可認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

以北京市通州區(qū)某試驗(yàn)基地為例，分析初始地溫不同測(cè)試時(shí)間、不同測(cè)試方法的情況下得到的結(jié)果。該試驗(yàn)基地地處涼水河北側(cè)，第四系深度500～600m，屬于永定河、潮白河沖洪積扇的中下部，含水層層多而薄?；噩F(xiàn)有建筑面積約400m2，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖。在換熱布孔區(qū)域外，布設(shè)有一眼150m深的常溫觀測(cè)孔，在孔內(nèi)埋深1m、2m、3m、5m、7m、10m、25m、40m、60m、80m、100m、120m、130m、140m、150m的位置埋設(shè)有溫度傳感器。監(jiān)測(cè)時(shí)間取2015年1月至2016年9月底。從不同深度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見（圖1），1m、2m、3m、5m處地溫隨季節(jié)變化而變化，7m處的地溫全年基本不變，可以說7m以上為變溫帶。7m以下各點(diǎn)的地溫基本保持不變。變溫帶1m處最高溫度出現(xiàn)在2016年8月，最低溫度出現(xiàn)在2016年3月。將最高地溫日不同深度監(jiān)測(cè)的地溫值加權(quán)平均后，得到整個(gè)孔的初始地溫為15.62℃。最低地溫日的不同深度監(jiān)測(cè)的地溫值加權(quán)平均后得到整個(gè)孔的初始地溫為15.25℃，此地區(qū)不同季節(jié)初始地溫相差不大。主要是因?yàn)榇说貐^(qū)變溫層較薄，在5～7m之間，加權(quán)平均后對(duì)整個(gè)孔初始地溫影響可以忽略不計(jì)。因此，在這種地溫場(chǎng)分布的情況下，熱響應(yīng)測(cè)試的結(jié)果可忽略測(cè)試季節(jié)的影響。

在該基地我們還對(duì)120m深的標(biāo)準(zhǔn)孔，采用了無(wú)功循環(huán)法測(cè)試初始地溫為14.6℃。同時(shí)計(jì)算了冬、夏兩個(gè)時(shí)間的常溫觀測(cè)孔溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度加權(quán)平均值，得到的平均地溫值為15.08℃（表1）。布設(shè)溫度傳感器法和無(wú)功循環(huán)法測(cè)試結(jié)果非常接近，均可認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

目前，初始地溫測(cè)試比較常用的是無(wú)功循環(huán)法。北京平原區(qū)大部分地區(qū)初始地溫約為14℃～16℃。但在斷裂構(gòu)造帶附近溫度較高，如小湯山地區(qū)可達(dá)21℃左右（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2018），立水橋東小口地區(qū)可達(dá)18℃左右，說明地下熱源對(duì)淺層地溫場(chǎng)的影響作用明顯。而在琉璃河、后沙峪地區(qū)溫度較低，約為12℃～13℃。分析認(rèn)為主要原因是后沙峪地區(qū)熱儲(chǔ)埋藏較深，蓋層厚不利于地下熱量的向上傳導(dǎo)。另外，地下水徑流條件好的地區(qū)淺層地?zé)崮艹跏嫉販匾草^低。影響初始地溫的因素較多，還包括地層結(jié)構(gòu)等。不同地區(qū)應(yīng)在場(chǎng)地勘查時(shí)分別測(cè)試初始地溫，了解淺層地?zé)崮艹跏嫉馁Y源條件。根據(jù)不同地區(qū)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，冬季地埋管延米換熱量隨著初始地溫增高而提高，說明初始地溫較高的地區(qū)有利于取熱（圖2）。

同時(shí)，初始地溫高則不利于夏季排熱。以順義區(qū)某處的測(cè)試數(shù)據(jù)為例（表2），項(xiàng)目區(qū)位于潮白河沖積扇中下部，通過測(cè)試可得出地層初始平均溫度均隨測(cè)試孔深度的增加而升高，夏季工況下的排熱量隨著初始溫度增加而減少，每增加一度每延米排熱量減少約10%。

2.2 穩(wěn)定熱流與穩(wěn)定工況測(cè)試

由于原2005年發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 0366—2005）缺少換熱試驗(yàn)的條文，在實(shí)際應(yīng)用中比較混亂，常以不考慮換熱溫差的每延米換熱量作為設(shè)計(jì)依據(jù)，因此在2009年修編版中增加了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的內(nèi)容，要求采用穩(wěn)定熱流的測(cè)試方法，用傳熱模型反算推導(dǎo)出巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)。隨著測(cè)試設(shè)備的不斷研發(fā)完善，出現(xiàn)了采用穩(wěn)定工況的測(cè)試。穩(wěn)定工況測(cè)試是通過建立穩(wěn)定的地埋管換熱器夏季或冬季運(yùn)行工況，即人為設(shè)定進(jìn)水溫度，當(dāng)出水溫度相對(duì)穩(wěn)定后，直接計(jì)算換熱能力的方法。這種方法不需要復(fù)雜的模型計(jì)算，直接通過傳熱學(xué)公式得到延米換熱量，作為地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

如果變溫層較薄，季節(jié)變化對(duì)初始地溫影響可忽略的情況下，穩(wěn)定工況較穩(wěn)定熱流法更能簡(jiǎn)單直接地給出地層的換熱量。但是如果不同季節(jié)的初始地溫相差較大，或測(cè)試孔深度較淺，變溫帶對(duì)整個(gè)孔的溫度影響較大，即測(cè)試時(shí)的進(jìn)出水溫度與地層初始溫度的差值與實(shí)際運(yùn)行時(shí)是不同的，則穩(wěn)定工況的測(cè)試時(shí)間將影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。建議此種情況下采用穩(wěn)定熱流法測(cè)試得到巖土體熱物性參數(shù)來指導(dǎo)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由此可見地層初始地溫對(duì)地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的換熱量影響較大，區(qū)域調(diào)查掌握一個(gè)地區(qū)的地溫場(chǎng)分布特征是指導(dǎo)工程應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，不可忽視。

3 傳熱系數(shù)在淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)中的應(yīng)用

淺層地?zé)崮苜Y源分布狀態(tài)、可利用資源量（即換熱功率）、運(yùn)移規(guī)律等均受地質(zhì)條件及巖土體固體顆粒部分的導(dǎo)熱性能的制約。早期行業(yè)內(nèi)是以現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試得到延米換熱量作為設(shè)計(jì)地埋管總長(zhǎng)度的依據(jù)，但隨著實(shí)踐的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)不同加熱功率所得到的延米換熱量不同。在理論分析及實(shí)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，國(guó)土資源部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》中提出了傳熱系數(shù)的概念。地埋管換熱器的傳熱系數(shù)是指單位長(zhǎng)度地埋孔，單位溫差（即地埋管內(nèi)流體的平均溫度與地層初始溫度的差）的換熱功率，通過穩(wěn)定熱流法或穩(wěn)定工況法可得到的參數(shù)。

通過綜合比較不同測(cè)試孔的傳熱系數(shù)，地埋管換熱孔每延米換熱量是管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)平均溫度與地層初始溫度間溫差的函數(shù)，它隨著管內(nèi)外溫差的加大而增加，不是固定值。以順義區(qū)某測(cè)試項(xiàng)目為例，該測(cè)試采用了穩(wěn)定工況的方式，設(shè)備供水溫度約35℃，回水溫度約33℃，不同深度測(cè)試孔地層初始溫度不同，設(shè)備供、回水溫度平均值與地層初始溫度之差不同，計(jì)算所得的傳熱系數(shù)不同，如圖3所示。

傳熱系數(shù)理論上換熱孔每延米熱阻的倒數(shù)，在加熱時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)其基本不變，如果同一個(gè)孔加熱功率不同，所測(cè)得的傳熱系數(shù)基本相同。傳熱系數(shù)可作為地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靜態(tài)依據(jù)，可用它來描述換熱孔的換熱能力（楊俊偉等，2011）。目前行業(yè)內(nèi)普遍采用傳熱系數(shù)的方法計(jì)算設(shè)計(jì)工況下的換熱量，從而計(jì)算地埋管總長(zhǎng)度。

4 結(jié)論與建議

地層初始地溫是淺層地?zé)崮苜Y源條件的重要指標(biāo)，決定著淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用合理性和經(jīng)濟(jì)性，不同測(cè)試方法得到的數(shù)據(jù)均可用。傳熱系數(shù)是基于公式推導(dǎo)和大量測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得到的一個(gè)綜合反映地下?lián)Q熱能力、管材、回填材料、運(yùn)行工況等因素的綜合參數(shù)，可用于推導(dǎo)不同換熱溫差下單孔的換熱功率，為計(jì)算地下?lián)Q熱系統(tǒng)總長(zhǎng)度提供靜態(tài)的依據(jù)，對(duì)評(píng)價(jià)勘查成果、指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

建議在實(shí)際工程應(yīng)用中地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分收集區(qū)域內(nèi)的地溫場(chǎng)分布特征，在現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的埋管長(zhǎng)度。同時(shí)綜合分析供能需求、場(chǎng)地可布孔面積、鉆孔成本與換熱量的最佳平衡點(diǎn)等因素，使淺層地?zé)崮苓_(dá)到最高效合理的利用。

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