吴佃亮 周波 张学斌 聂玉朋 刘自宽 王涛 毕栋威 何召永 魏海红
摘要：近年来，山东省在鲁西北、鲁中南及鲁东地层区开展了大量的垂直地埋管热响应测试工作，获取了大量地埋管换热器岩土热物性参数，为开展不同岩性条件下地埋管换热器换热特性的对比分析提供了基础型数据支撑。针对山东省主要地层条件，为全面比较分析不同岩类条件下地埋管换热器换热特性方面的差异，本次选取同等深度、孔径及垂直换热器型号的沂源县、聊城市及日照市测试数据进行对比分析。由于当时的现场热响应测试只对岩土体的初始地温及导热系数进行了测试，根据换热模型得出夏季单孔换热量，因此，本篇文章对岩土体的导热系数及夏季换热量进行对比分析，根据测试数据得出不同岩性热物性参数差异。根据已有的测试数据，基岩地质对比碎屑、第四系松散岩类，因其所具有的高热扩散性对地埋管换热器换热效果有促进作用。
关键词：地源热泵；地埋管换热器；热响应试验；热物性参数
1.引言
地源热泵具有节能、环保、无污染，节省建筑面积，经济效益高，使用寿命长等优势，越来越受到各级政府及市场的重视，岩土体热物性特征作为地埋管地源热泵系统设计的基础性依据，其科学性、准确性及合理性关系到地源热泵系统的运行效能。因此，科学掌握岩土体的热物性特征，选取科学合理的参数对地源热泵工程的建设具有非常重要的意义。岩土体的热物性特征受气候条件、地质构造、岩性、水文地质条件等综合影响，不同岩性条件下表现特征各异。目前，现场热响应测试作为获取岩土体热物性参数及地埋管换热能力的主要技术手段，山东省近年来在第四系松散岩类区、碳酸盐岩类区、花岗岩类区开展了较多理论与实验工作，基于上述背景，本文选取部分数据着重对上述岩类地区的岩土热物性参数及地埋管换热能力开展对比与分析，分析主要影响因素，旨在对山东省具有相同岩性地层条件下的地埋管地源热泵系统设计与优化提供一定的参考。
2.测试孔成孔条件分析
2.1钻孔地质结构分析
本次选取山东聊城、沂源、日照的3眼垂直地埋管换热孔热响应测试数据作为研究对象，将上述钻孔的编号依次命名为Y1、Y2、Y3，以上3组钻孔成孔深度120m，孔径150mm。
Y1测试孔地处山东省西部、地貌类型为黄泛冲积平原，地势平坦，测试孔深度120m，岩性为第四系松散岩类，以粉土、粉砂、粉质黏土、细砂为主，地层厚度大于120m，地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，主要含水层为粉砂、粉细砂，含水层厚度21m，涌水量约500m3/d～1000m3/d。
Y2测试孔地处山东省中南部，沂源县悦庄镇西，深度120m，沂源县的南部，地处地形低洼的沟谷地带，地势较低，岩性以砂、泥沙岩、页岩夹薄层灰岩为主，局部含砾石层，风化裂隙较发育，地下水类型主要为碎屑岩类裂隙水，裂隙含水层，水量很小，单井涌水量<100m3/d。
Y3测试孔地处山东省东南部，日照市经济开发区奎山街道相家台村北，深度120m，测试孔西侧为黄海，地形为微弱切割强剥蚀丘陵区，地势较高，岩性主要为不同时期的花岗岩、变质岩等，局部风化裂隙较发育，地下水主要赋存于基岩风化裂隙中，涌水量受区内风化带厚度影响较大。
2.2钻孔成孔工艺分析
测试孔的成孔工艺对地埋管换热能力具有重要影响，测试孔的成孔工艺主要包括测试孔的钻探、地埋管换热器的安装、砾料回填等，根据地层结构地埋管换热孔的钻探工艺各不相同。见表1。
3.现场热响应测试原理
试验岩土体平均地温测试采用无功循环法，其原理是在不向地埋管换热器加载冷、热量的情况下，使水在地埋管内形成循环，循环时间不少于24h，在循环水的温度达到稳定时（1h内温度变化不超过0.3℃，并且稳定时间不少于12h），认为循环水与岩土体达到热平衡，认定该温度即为岩土初始平均温度。
岩土体导热系数试验采用稳定热功率法，其试验原理是通过设置电加热器加热功率的方式（加热功率设置为6kW）对地埋管内的水体加载热量，使水体在地埋管内形成循环，时间不少于48h，在循环水温度达到稳定时（1h内温度变化不超过0.5℃，并且稳定时间不少于24h），认为此时循环水与岩土体达到热平衡，利用稳定后的数据计算出岩土体的导热系数。
4.数据处理与分析
利用测试仪器的数据软件实时采集地埋管进出口水温、循环水流量、测试功率、电流、电压等数据，利用采集数据可计算出不同时刻的进出口水温温差、进出口水温平均温度、排热量等数据。
4.1初始地温数据分析
通过无功循环方法测定测试孔的初始地温，测试时将地埋管进水出水管路接入设备外接水管，通过设备内的循环水泵，将管内的水在设备水管与地埋管内循环流动，水流循环24h后，通过专用数据分析软件对地埋管回水温度进行分析，见表2。
由表2测试数据可知，初始地温由大到小为Y1、Y3、Y2，其中Y1岩性为第四系松散岩类，导热能力差，热储能力相应好，初始温度要明显高于基岩地区。Y2岩性为碎屑岩类相比于Y3基岩类初始温度略低，主要考虑碎屑岩类地区由于岩石风化裂隙较发育，水流条件好于基岩地区，储热能力略差，相应的初始温度低。
4.2稳定功率测试数据分析
在稳定功率的情况下，通过对循环液加热，并持续不断地向测试孔内释放热量，测试钻孔的导热能力，测试时将地埋管换热器的进出水口接入测试设备的进出水口，循环液流经设备内的加热器，提高循环液温度，通过依据仪器上安装的数据采集软件实时采集的地埋管进出口水温、循环水流量等数据，计算出不同时刻的进出口水温温差、进出口水温平均温度、排热量等数据。对数据进行汇总，如表3所示。
以上数据反映Y1测试孔地埋管进回水温度最高，主要是第四系松散岩类导热效果与基岩相比较差，热扩散慢，储热好，温差也相对较小，Y2相较于Y3温差稍低，主要是碎屑岩类地区岩石风化裂隙较发育，水流条件好于基岩地区，温差低于基岩地区；Y3地埋管进回水温度明显较低，但是其进回水温差明显较高，是因为岩石热扩散性较好，热交换能力较好。
利用线性传热模型，用曲线拟合法，可算出导热系数λ。
由表4可知，聊城拟合公式中，斜率m =2.1518，截距b=2.5016，结合公式（5），可以计算出聊城测试孔岩土导热系数为λ1=1.72W/（m·℃），同理，结合表5中沂源和日照的拟合公式，可以得出其岩土导热系数分别为：沂源λ2=2.23W/（m·℃），日照λ3=2.69W/（m·℃）。
5.结果分析
（1）第四系松散岩类地区，岩性导热系数相较于基岩地区低，热扩散能力小，热阻大，热交换速度慢，但储热条件好，初始地温高，地埋管回水温度高，进回水温差小。
（2）碎屑岩类地区，由于岩石风化裂隙较发育，水流条件好于第四系松散岩类与基岩地区，导热系数高于第四系松散岩类地区，温差低于基岩地区。
（3）基岩地区岩石导热系数较高，热阻低，具有高热扩散性，换热效率较高，换热速度较快，这对地埋管换热器的换热起到积极作用。
（4）测试孔测试达到稳定状态，换热效果主要受岩土初始温度影响，但后期稳定阶段，主要影响地埋管换热器换热能力的是岩土导热系数和钻孔热阻。岩土导热系数越大，钻孔热阻越小，进出口温差就越大。
（5）现场热响应测试条件是一定的，有条件的，本次测试工作是在特定的测试条件下进行的，如果后期改变测试条件，排热工况下单位孔深换热量是不相同的，所以设计单位不能简单地把单位孔深换热量作为设计依据应用于地下换热系统设计中。
6.结论
（1）对测试数据进行计算分析，得到聊城（Y1）测试孔岩土导热系数1.72W/（m·℃），单位孔深换热量49.1W/m；沂源（Y2）测试孔岩土导热系数2.23W/（m·℃），单位孔深换热量53.9W/m；日照（Y3）测试孔岩土导热系数2.69W/（m·℃），单位孔深换热量61.8W/m。
（2）基岩地质条件一般具有较高的热扩散性，导热系数较高，单孔换热能能力强，对地埋干换热器换热效果有促进作用，适宜在基岩地区建设地源热泵工程。
（3）地埋管换热器换热效果主要受不同岩性的导热系数（热导率）影响。
（4）地源热泵工程的设计与建设应结合建筑物的使用条件进行综合分析，科学合理选用岩土热物性参数，确保地源热泵工程具有高效的运行效果。
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