室内外导热系数测试差异对地...省鸡西市MJX01钻孔为例_郝术仁.pdf

第 卷 第 期 年 月东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）.收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；东华理工大学博士启动基金项目（）作者简介：郝术仁（），男，博士，讲师，主要从事地质工程和浅层地热能研究。：室内外导热系数测试差异对地源热泵系统换热设计的影响研究 以黑龙江省鸡西市 钻孔为例郝术仁，刘丽虹，张 华，宋 欣，董吴军，李 昌（东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌；江西省勘察设计研究院，江西 南昌；吉林省皓晨地质环境工程有限公司，吉林 长春；黑龙江省生态地质调查研究院，黑龙江 哈尔滨）摘 要：为了研究不同方法所得到的导热系数差异对地源热泵系统换热设计的影响，以黑龙江省鸡西市 钻孔为例，通过对该钻孔开展室外测温热响应测试和室内岩石热导率系数的试验测试，利用多场耦合数值模拟软件 建立了数值分析模型。结果表明，室内试验测试获得的导热系数普遍低于室外热响应测试。数值分析模型以热响应测试结果为标准，定量评价了不同测试方法得到的导热系数差异对钻孔换热造成的影响，得出分布式测温计算的方法。本研究不仅能够计算出不同层位岩石的原位导热系数，更有助于预测不同深度地层的吸热能力，为优化钻孔热交换器设计深度提供依据。关键词：浅层地热能；热响应测试；数值模拟；导热系数；分布式测温中图分类号：文献标志码：文章编号：（）郝术仁，刘丽虹，张华，等，室内外导热系数测试差异对地源热泵系统换热设计的影响研究 以黑龙江省鸡西市 钻孔为例 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，：，（），（）：目前我国能源紧缺、结构过分单一，能源供应过度依赖化石能源。化石能源发电量占总发电量的左右。随着能源结构的调整，可再生清洁能源在能源消费中的比例逐步提升，其中地热能作为一种清洁能源，因其资源储量巨大，分布广泛，越来越受到科学家的重视（赵雨桐等，；方圆等，；伯慧等，；张春晓等，）。地源热泵技术是一种利用浅层地热能资源，将低品位能源转化为高品位能源的技术，广泛应用于建筑物供暖制冷（李元旦等，；夏中智等，）。其以节能、减排的优势在北京、雄安等重要城市具有广泛的推广和应用，是我国实现碳达峰和碳中和目标的重要技术之一。由于地下岩土体类型差异以及含水层的复杂性，不同深度范围内的岩土热物性参数的变化对地下换热器的换热效率有着很大的影响，准确确定岩土层的热参数是地源热泵技术科学应用的关键之一（丁祥，）。目前，热物性参数测试方法主要有原位热响应测试法和实验室法（张庆等，；，）。然而，热响应测试会受到许多因素的影响，如孔直径、充填体、井距、测试周期、电源稳定性以及地下渗流场等（胡平放等，；宋欣阳，；，；，张宏志等，），并且热响应测试只能得到测试孔岩土体的综合导热系数，而不能获得分层岩土体导热系数。室内试验是对岩土体样品进行稳态或非稳态热流法测试，获取其热参数。但是考虑到岩土体的扰动会导致较大的测量误差，得到的参数只是对岩土体热物性参数的粗略估计，并不能作为工程设计的依据（胡平放等，）。为了准确地测量岩土体的热参数，国内外学者一直致力于构建和改进室内和室外试验的测试方法（，；，；高宽，）。但研究成果主要集中于减少测量误差等方面，对于室内外导热系数测试差异和关联研究较少。此外，由于实际中的岩土是分层的，各层岩土体的导热系数有所差异，因而使得岩土体的吸放热效率在垂直方向上存在较大的差异性（，）。笔者以黑龙江省鸡西市 钻孔为例，对该钻孔进行室内岩石热导率系数试验测试和室外测温热响应测试，并对这两种方法计算出的分层岩石导热系数进行比较，以及利用多场耦合软件数值模拟软件 对钻孔换热特性进行模拟，定量评价导热系数测试差异对钻孔换热造成的影响。图 研究区地质简图 白垩系下统城子河组；白垩系下统东山组；白垩系下统猴石沟组；白垩系下统穆棱组；上元古界新兴组；第四系全新统低漫滩冲积 洪积层；石炭系船底山组玄武岩；中下寒武统混合花岗岩；中 上二叠统花岗闪长岩。地质概况工作区位于鸡西市西部麻山区，区内大部分地区为低山丘陵，地层主要由下白垩统东山组和穆棱组构成，普遍赋存基岩风化裂隙水、构造裂隙水。因此本区第四系仅在小穆棱河两岸分布。钻孔编号为，揭露的地层主要为穆棱组，位置如图所示。该地区属于寒冷气候区，年平均气温为 ，地形复杂，海拔高，地势起伏，坡度陡，资源匮乏。月至第二年 月的日气温为 ，是典型的供暖月份；年平均取热时长约为 。本研究利用钻孔揭露深度 以浅的地层，如图 所示。初始地层温度由高精度深水遥测温度计 测量，每隔 测一次温度。在 范围内，浅层土壤的温度受大气温度影响较大。随深度的增加，地温趋于稳定，确定恒温层温度为 ，深度为 。在恒温层以下，地温梯度约 。根据加权平均确定 以浅的地层平均温度为 。钻孔内岩土体热物性参数 岩土样品室内测试参数从 钻孔中采集粉质黏土、砂岩、泥岩和东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 深度内的温度和分层地下剖面图 砾岩等 组样品进行测试，获得了含水率、比热容、导热系数等热物性参数（表）。比热容和导热系数分别为 （）和 （）。钻孔原位热物性参数测试 钻孔深度为 ，孔径为 ，采用聚乙烯管（内径 外径 ）作为热交换器，向钻孔内灌入膨润土浆液。依据测试规范（中国建筑科学研究院，），通过热响应测试仪器将循环水介质恒定的热流注入到 型管中，在一定的时间间隔内记录流量和加热功率。在 型管的进口和出口处设置 个温度传感器，并同时在钻孔深度范围内 型管之间设置 个温度传感器。数据采集系统不仅可以记录管道流体的进出口温度，还可以通过分布式测温，获取管道附近不同地层的温度。在模拟夏季条件下，对 钻孔分别进行加热功率为 和 的热响应测试。图 各岩土层加权平均温度对时间变化 依据（）提出的线性源模型计算导热系数，即根据实测温度曲线拟合情况推导出钻孔的综合导热系数以及钻孔分层导热系数。由于第 期郝术仁等：室内外导热系数测试差异对地源热泵系统换热设计的影响研究 以黑龙江省鸡西市 钻孔为例测温点的数量有限，将各样品的实验室热导率测试结果与室外原位测试结果进行比较是不合理的，因此将测温点的测温结果首先按照地层分层情况值进行加权平均。各层的平均温度的变化曲线如图所示，其中由于 以浅的黏土层温度受昼夜温度影响较大，其数据对于导热系数的计算意义不大，因此将其剔除。各岩土层导热系数计算结果如表所示。对比分析从对比结果来看（表），室内试验与室外现场测试的差异最大的是粗砂岩层和钙质砂岩层，这两层均为含水层。此深度内各层应处于饱和状态，而实验室测得岩石样品的饱和度为 ，说明样品有少量水分流失。可以估计，含水率的变化对导热系数的测试结果有一定影响。然而造成实验室与现场导热系数差异的主要因素是含水层内的地下水流动。如表 所示，粗砂岩层和钙质砂岩层样品的饱和度相似，但孔隙度不同。含水层中岩石的孔隙度与地下水的渗流速度密切相关。因此，高孔隙度的粗砂岩层与低孔隙度的钙质砂岩层的导热系数差异较大。（）发现当岩石含水量较低且与密度有关时，含水量减小得越多，导热系数减小就越多。这一结论与岩屑砂岩层的室内和室外研究结果相吻合，岩屑砂岩层岩石风化程度较轻，结构松散，取样时水分易蒸发。相反，砾岩固结较强，结构致密，保水性能好，因此该层的室内外导热系数差异小。目前地源热泵工程的实际设计是基于热响应测试获得的岩石综合导热系数。为了分析室内和室外分层导热系数测试的准确性，本次利用水热耦合软件 建立传热模型，模拟实际工况并进行对比分析。表 样品的热物理参数 样品名称取样深度 含水率 孔隙度 饱和度 比热容（）导热系数（）粉质黏土 粉质黏土 黑砂石 黑灰色粗砂岩 黑灰色粗砂岩 砂岩 钙质砂岩 钙质砂岩 泥质砂岩 钙质砂岩 泥质砂岩 泥岩 岩屑砂岩 岩屑砂岩 岩屑砂岩 岩屑砂岩 岩屑砂岩 砾岩 砾岩 砾岩 砾岩 东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年表 各岩土层导热系数计算结果 地层岩性地层深度 导热系数（）原位测试实验室试验穆棱组粗砂岩 钙质砂岩 岩屑砂岩 砾岩 数值模拟分析 模型的建立及验证本次采用水热耦合软件 建立数值模型对传热过程进行模拟，比较不同实验方法计算的导热系数，验证导热系数计算结果的准确性。是一种数值模拟多组分、多相流体在一、二、三维多孔介质和压裂介质中的非等温流动的工具，具体的介绍可参考吴帆（）。图 的数值模型 为了避免边界效应，三维模型的水平尺寸设计为 ，模型的深度为 （图）。为保证精度，对管道附近网格进行了细化，网格总数达到 个。通过比较不同网格密度的地埋管内部和附近几个选定点的温度，发现网格密度与温度无相关性。当网格数量从 个增加到 个时，这些点的温度几乎没有变化，因此本次研究网格数量定为 个。边界条件设置如图 所示。第一类边界条件是在模型周围和顶部定义的。在模型的下游边界定义无热边界条件，保持独立的传导过程。为了模拟循环地埋管流体的能量传递，定义了代表入口和出口的第二类边界条件（包括流动和热边界），用来描述流体从一个或多个节点注入或抽出的速度。因此，地埋管流体以恒定的流量和能量注入率进行循环。在不考虑季节影响的情况下，初始地面温度设置为 。由于热响应测试是目前应用最广泛的地埋管换热器热物性参数测试方法，因此将热响应测试获得的热物性参数对模型进行赋值，并对实验过程进行模拟。数值模型的基本输入参数列于表。将模拟出口温度与热响应测试测得的出口温度进行了比较，发现拟合结果较好（图）。模拟分析为了验证分层岩石导热系数的计算精度，并研究基于不同计算方法的不同导热系数设置模型之间的差异，在建立模型的基础上，对单 型管钻孔的取热过程进行了分析。假设冬季采暖工况连续第 期郝术仁等：室内外导热系数测试差异对地源热泵系统换热设计的影响研究 以黑龙江省鸡西市 钻孔为例表 钻井换热器和地面的基本输入参数 参数模拟材料热载体流体管道回填地层初始温度 密度（）导热系数（）比热容（）图 模拟流体与实测热响应流体出口温度的比较 表 运行时的出口温度和热交换 方案不同运行时间间隔 平均换热功率 方案 最高温度 最低温度 方案 最高温度 最低温度 方案 最高温度 最低温度 运行，开 关间隔为 ，入口冷却水温度为 ，流体流量为 ，实际单 型管流量为 。采用 建立的模型模拟了 种不同的方案。在方案 中，模型中导热系数简化为各向同性模型，并按照热响应测试结果进行赋值。在方案 中，通过分布式测温，获取管道附近不同地层的温度。在方案 中，根据实验室测试结果的每一层的加权平均值进行分层赋值。由于热响应测试结果是被公认的准确测试方法，其测试结果被广泛接受，并且通过实际出口温度进行比较，对模型进行了验证，因此认为方案 的模拟结果是标准的，其他方案中的模拟结果均与方案 的模拟结果进行比较。本次基于上述方案对模型进行了一个供热周期的模拟。在一个完整的加热周期内，每月末的出口温度变化如表 所示。从图 可以看出，三种模拟方案的出口温度变化趋势相似。在最初的 内，温度急剧下降，在接下来的 非运行期间，温度无法恢复到初始水平。运行期间的最低温度和非运行期间的最高温度都在不断下降，前几天下降较快，之后下降幅度变缓。图 三种方案模拟流体出口温度比较 利用该模型对单井在加热周期内的换热进行了预测。从地面提取热量的计算公式为：（）式中，为从地面提取的热量（），为 型管内流体比热容（），为流量（），和 分别为出口和进口温度（）。东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年方案、方案、方案 的平均传热功率计算结果分别为 、。方案 和方案 的模拟传热结果进一步验证了场分布测温法计算导热系数的准确性，而且能够计算出不同层位岩石的原位导热系数更有助于预测不同深度地层的吸热能力，为优化地埋管设计深度提供依据。方案 和方案 预测的换热功率相差很大，可能是因为含水率的变化和远离地下渗流的影响。因此，实验室测试的导热系数低于室外现场测量。此外，根据室内试验结果设计的换热能力大大低于地热井的实际换热能力，不能充分利用浅层地热资源。结论通过对黑龙江鸡西市麻山区 钻孔开展室外测温热响应测试和室内岩石热导率系数的试验测试，并 利 用 多