庄树裕
(福建省地质调查研究院，福建福州 350000)
碳酸盐地区岩土热物性测试分析
庄树裕
(福建省地质调查研究院，福建福州 350000)
通过现场岩土热物性测试试验，测试研究了双U形竖直埋管与桩基螺旋盘管两种类型换热器在碳酸盐岩地区的换热能力，并对测试结果进行了对比分析，指出两者结合更有利于地源热泵技术在碳酸盐地区的推广与应用。
岩土热物性参数，导热系数，双U形竖直埋管，桩基螺旋盘管
0 引言
地源热泵技术［1］是一种开发利用中低温地热资源的有效方法，具有低耗高效、绿色环保及可再生利用地热资源的特点，是21世纪最有发展前景的50项高新技术之一，在欧、美和日本等发达国家早已广泛推广，在国内也成为空调行业研究的热点。我国地源热泵系统在京津冀辽等华北和东北部地区运行效果良好，已获得较广泛推广。目前，地源热泵技术在地层以碳酸盐岩为主的地区的研究与应用，还没有参考案例，国内有关此方面的资料甚少，从而影响该技术在该地区应用推广。
1 测试的环境
研究区域现场岩层为单斜产出，产状为倾向241°，倾角68°，下伏基岩为三叠系下统白云岩。场地出露地层为第四系填土、红粘土。场地地下水主要为大气降水向下渗漏在上部土层中形成的上层滞水以及基岩裂隙水，地下水水量不丰富。
2 测试试验原理
浅层岩土热物性原位测试仪［2］的工作原理：在将要埋设地热换热器的现场进行钻孔，测试井深与实际工程设计井深一致，在钻孔中埋设地下热交换器并按设计要求回填。测试时，地下埋管换热器和测试仪的循环管道相连形成封闭的管路，然后启动加热设备连续运行数十小时，利用温度、流量等各种传感器测量管路中不同位置循环流体的温度、流量以及加热器、水泵和设备总功率，得到传热模型所需数据，利用传热模型对数据进行处理，得到岩土热物性参数，继而对地埋管进行换热计算，达到测试目的。测试仪结构原理图如图1所示。
测试仪外观如图2所示。
3 岩土热物性测试结果
3．1 大地初始温度
在测试初始阶段，首先对大地原始温度进行测试，开启水泵循环直到测试流体的进出水温度趋于恒定，该温度值即为地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均温度［3］。测试得出桩基埋管地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均温度为22．1℃，如图3所示。双U埋管地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均温度为20．6℃，如图4所示。
图1 测试仪结构原理图
图2 测试仪
3．2 岩土导热系数
开启电加热后，初期供回水温差变大，当运行24 h以后，进出井口的水温温差逐渐趋于稳定，地下热交换器和土壤的热交换基本达到平衡［4］。整个测试情况如图5，图6所示。
图3 桩基螺旋盘管换热器周围岩土温度曲线
图4 双U竖直换热器周围岩土温度曲线
图5 桩基埋管
图6 双U埋管
开始加热流体时，地下温度开始变化较快;随着加热时间的增加，地下温度变化趋于平稳，流体与岩土层的换热近似达到平衡。整个温度曲线无明显波动、变化，这时对进出水温度曲线进行拟合，得到换热器周围岩土的热物性参数。整个试验过程测试到的数据可以用软件进行数据分析。计算结果录入表格，导热系数如表1所示。
表1 岩土导热系数
3．3 单孔换热量
换热孔的换热量是与换热管内的流体特性、换热管的材料特性、周围岩土的岩性及岩土的赋水情况、回填料的特性、土壤的原始温度及换热管内流体的温度等诸多因素有关，这些因素都直接影响着整个岩土换热器的换热能力，由于地下的岩土结构及分布比较复杂，只有通过测试试验孔井综合传热系数来衡量整个换热孔的换热性能［5］。通过软件分析数据，计算结果如表2，表3所示。
表2 桩基螺旋盘管换热器制冷(制热)模式下换热情况
表3 双U埋管换热器制冷(制热)模式下换热情况
4 测试结果分析
1)岩土导热系数。综合桩基螺旋盘管换热器和双U垂直埋管换热器测试数据得到该区域的浅层岩土热物性参数，该区域平均导热系数约为3．05 W/(m·K)，且钻孔深度越大，岩土导热系数越大。因此考虑地热换热器换热效率，宜采用较深的钻孔。
2)换热器的埋设成本。进行该项测试前，利用打孔设备钻孔，在碳酸盐岩地区打深孔过程比较艰难，成本比较高，而在现有的建筑孔桩内进行埋设换热器，不用打孔，成本较低，且节约换热器埋设的占地面积。
3)误差的主要原因分析。测试前地下温度场已受到干扰。钻孔过程中对地下温度场将产生较为明显的影响;回灌封孔后稳定的时间不够长：测试(加热)前地埋管内循环水温度有别于地埋管周围岩土层温度等。这些都将导致测试初始条件与计算模型初始条件的不一致，从而导致模型误差。
5 结语
1)碳酸盐岩地区岩土的平均导热系数较大，有较强的地下换热能力，利用地源热泵系统有较好的地质条件。2)在碳酸盐岩地区利用地源热泵系统根据工程的具体条件合理选择双U形竖直埋管和桩基盘管换热器，双U形竖直埋管换热器换热效率高，钻孔成本高，进而增加初投资的费用;而桩基盘管换热器更为经济，但是换热效率低，可以考虑在钻孔条件有限的情况下作为换热器埋设的补充。两者的相互结合合理利用更有利于地源热泵技术在碳酸盐岩地区的推广与应用。
［1］徐 伟．地源热泵工程技术［M］．北京：中国建筑工业出版社，2001：89-94．
［2］孙友宏，王庆华，陈昌富．地层热物性原位测试方法及仪器［J］．供热制冷，2008(11)：31-33．
［3］于明志，方肇洪．用于现场测量深层岩土导热系数的简化方法［J］．热能动力工程，2003，18(5)：512-515．
［4］赵 军，段征强，宋著坤．基于圆柱热源模型的现场测量地下岩土热物性方法［J］．太阳能学报，2006，9(9)：934-936．
［5］李晓东，李雨桐，于明志．基于地源热泵的岩土热物性测试仪的研制与应用［J］．仪表技术与传感器，2004(9)：28-29．
On analysis of rock-soil thermal properties tests in carbonate areas
ZHUANG Shu-yu
(Fujian Institute of Geological Survey，Fuzhou 350000，China)
According to the measurement tests of the field rock-soil thermal properties，the paper tests and studies the heat-transfer of the two typical heat exchangers，the double U-tube heat exchanger and pile foundation spiral coil，and their heat exchanging capacities in carbonate areas，undertakes the comparative analysis of the tested results，and points out the combination of the two methods can enhance the extension and utility of the ground-source heat pump in carbonate areas．
rock-soil thermal properties parameter，heat conductivity coefficient，double U-tube heat exchanger，pile foundation spiral coil
TU459．9
A
10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.003
1009-6825(2013)10-0070-02
2013-01-14
庄树裕(1979-)，男，工程师
