相关参数的获取方法

Question

如题所述

Answer 1

浅层地温能开发利用相关参数主要是通过钻探、物探、实验、测试、计算及理论模拟等方法获得。

设计地源热泵系统地下换热器需要掌握地下岩土体的热物理性质参数。如果热物理性质参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要。同时，也可能使地下换热器规模偏大，从而加大初投资，因此参数的测量方法对于获取正确的参数至关重要。

岩石和土壤的热物理性质测试基本有两种方法，一种为岩土标本的室内测定，即传统的方法，另一种为现场原位测试。室内测定，首先根据钻孔取出的样本特征确定钻孔周围的地质构成，再通过室内仪器测定确定导热系数。然而由于地质条件的复杂性，即使同一种岩石成分，其热物理性质参数值范围也比较大。不同地层地质条件下的岩土导热系数可相差近10倍，从而导致计算得到的地下换热器的埋管长度也相差较大，使得地源热泵系统的经济性受到影响。另外，不同的成井工艺、材料及埋管方式对换热都有影响。现场的原位测试，是在现场利用换热孔(坑)直接测量岩土体的热响应，能较准确地得到地下岩土的综合热物理性质。

(一)样品(标本)采样原则

由于岩土都存在不均匀性，所以除了在标本采集时尽量均匀布置外，还要对标本测定结果进行数理统计，求取不同岩性代表性较强的特征值。测试原理是通过对原状样品加热，测量其温度变化，来求取两者之间的因果关系。

(二)岩土原位测试原理

根据线源热传输理论设计的现场换热测试是一种热响应试验，它一般利用实际换热孔构成一个恒热流加载测温装置，通过测试仪器，对测试孔进行一定时间的连续加热，测量并记录岩土体温度变化，获得岩土综合热物理性质参数及岩土初始平均温度，也可称为现场换热试验或原位热响应试验。广义的热响应试验是在对被测物体加热过程中，观测其温度变化的试验方法。

(三)抽水/回灌试验相关参数获取

静水位、动水位、出水量为抽灌试验实测值，其他参数由计算或数值模拟获得。抽水、回灌试验相关参数计算方法:

浅层地温能资源评价

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式中:K———渗透系数(m/d);

Q———出水量(m³/d);

S———水位降深(m);

M———承压水含水层的厚度(m);

R———抽水井过滤器的半径(m);

r———影响半径(m)。

(四)现场换热测试相关参数的确定

1.现场换热测试技术要求

2005年11月30日，中华人民共和国建设部发布了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366－2005)(以下简称《规范》)。为了使《规范》更加完善合理，统一规范岩土热响应试验方法，正确指导地埋管地源热泵系统的设计和应用，2009年，中华人民共和国住房和城乡建设部组织相关单位对该《规范》进行局部修订，并于2009年3月批准了对该规范的局部修订(自2009年6月1日起实施)。局部修订部分指出了在什么情况下必须要进行热响应试验，规定了热响应试验的方法和测试结果的用途。目前，测试方法技术的规定需参照该《规范》附录C的要求，以下为附录C的部分内容。

附录C 岩土热响应试验(新增)

C.1一般规定

C.1.1工程场地状况及浅层地热能资源条件是能否应用地源热泵系统的前提。地源热泵系统方案设计之前，应根据实地勘察情况，选择测试孔的位置及测试孔的数量，确定钻孔、成孔工艺及测试方案。如果在打孔区域内，由于设计需要，存在有成孔方案或成孔工艺不同，应各选出一孔作为测试孔分别进行测试;此外，对于地埋管换热器埋设面积较大，或地埋管换热器埋设区域较为分散，或场区地质条件差异性大的情况，应根据设计和施工的要求划分区域，分别设置测试孔，相应增加测试孔的数量，进行岩土热物性参数的测试。

C.1.2通过对岩土层分布、各层岩土土质以及地下水情况的掌握，为热泵系统的设计方案遴选提供依据。钻孔地质综合柱状图是指通过现场钻孔勘察，并综合场区已知水文地质条件，绘制钻孔揭露的岩土柱状分布图，获取地下岩土不同深度的岩性结构。

C.1.4作为热源热泵系统设计的指导性文件，报告内容应明晰准确。

参考标准是指在岩土热响应试验的进行过程中(含测试孔的施工)，所遵循的国家或地方相关标准。

由于钻孔单位延米换热量是在特定测试工况下得到的数据，受工况条件影响很大，不能直接用于地埋管地源热泵系统的设计。因此该数值仅可用于设计参考。

报告中应明确指出，由于地热结构的复杂性和差异性，测试结果只能代表项目所在地岩土热物性参数，只有在相同岩土条件下，才能类比作为参考使用，而不能片面地认为测试所得结果即为该区域或该地区的岩土热物性参数。

C.1.5测试现场应提供满足测试仪器所需的、稳定的电源。对于输入电压受外界影响有波动的，电压波动的偏差不应超过5%;测试现场应为测试仪器提供有效的防雨、防雷电等安全防护措施。

C.1.6先连接水管和地埋管换热器等外部非用电的设备，在检查完外部设备连接无误后，最后再将动力电连接到测试仪器上，以保证施工人员和现场的安全。

C.2测试仪表

C.2.3对测试仪器仪表的选择，在选择高精度等级的元器件同时，应选择抗干扰能力强，在长时间连续测量情况下仍能保证测量精度的元器件。

C.3岩土热响应试验方法

C.3.1测试仪器的摆放应尽可能地靠近测试孔，摆放地点应平整，便于有关人员进行操作，同时减少水平连接管段的长度以及连接过程中的弯头、变径，减少传热损失。

在测试现场，应搭设防护措施，防止测试设备受日晒雨淋的影响，造成测试元件的损坏，影响测试结果。

岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热还是取热试验，其数据处理过程基本相同。因此本规范中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。

现有的主要计算方法，是利用反算法推导出岩土热物性参数。其方法是:从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和 取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。其中，T_cal，i为第i时刻由模型计算出的埋管内流体的平均温度;T_exp，i为第i时刻实际测量的埋管中流体的平均温度;N为试验测量的数据的组数。也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。

以下给出一种适用于单U形竖直地埋管换热器的分析方法，以供参考。

地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔内的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔内的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环介质温度沿流程不断变化，循环介质平均温度可认为是埋管出入口温度的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。在定加热功率的条件下:

1钻孔内传热过程及热阻

钻孔内两根埋管单位长度的热流密度分别为q₁和q₂，根据线性叠加原理有:

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式中:T_f1，T_f2———分别为两根埋管内流体温度(℃);

T_b———钻孔壁温度(℃);

R₁，R₂———分别看作是两根管子独立存在时与钻孔壁之间的热阻(m·K/W);

R₁₂———两根管子之间的热阻(m·K/W)。

在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔内部的，其中心距为D，因此有:

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其中埋管管壁的导热热阻R_p和管壁与循环介质对流换热热阻R_f分别为:

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式中:d_i———埋管内径(m);

d_o———埋管外径(m);

d_b———钻孔直径(m);

λ_p———埋管管壁导热系数(W/(m·K));

λ_b———钻孔回填材料导热系数(W/(m·K));

λ_s———埋管周围岩土的导热系数(W/(m·K));

K———循环介质与U形管内壁的对流换热系数(W/(m²·K))。

取q_l为单位长度埋管释放的热流量，根据假设有:q₁=q₂=q_l/2，T_f1=T_f2=T_f，则式(9)可表示为:

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由式(10)～(13)可推得钻孔内传热热阻R_b为

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2钻孔外传热过程及热阻

当钻孔外传热视为以钻孔壁为柱面热源的无限大介质中的非稳态热传导时，其传热控制议程、初始条件和边界条件分别为

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式中:c_s———埋管周围岩土的平均比热容(J/(kg·℃));

T———孔周围岩土温度(℃);

T_ff———无穷远处土壤温度(℃);

ρ_s———岩土周围岩土的平均密度(kg/m³);

t———时间(s)。

由上述方程可求得t时刻钻孔周围土壤的温度分布。其公式非常复杂，求值十分困难，需要采取近似计算。

当加热时间较短时，柱热源和线热源模型的计算结果有显著差别;而当加热时间较长时，两模型计算结果的相对误差逐渐减小，而且时间越长差别越小。一般国内外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模型是线热源模型的结论，当时间较长时，线热源模型的钻孔壁温度为:

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式中:

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由式(13)和式(19)可以导出τ时刻循环介质平均温度，为

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式(14)和式(20)构成了埋管内循环介质与周围岩土的换热方程。式(20)有两个未知参数，周围岩土导热系数λ_s和容积比热容ρ_sc_s，利用该式可以求得上述两个未知参数。

C.3.2测试孔的深度相比实际的用孔过大或过小都不足以反映真实的岩土热物性参数;如果测试孔与实际的用孔相差过大，应当按照实际用孔的要求，制作测试孔;或将制成的实际用孔作为测试孔进行测试。

C.3.3通过近年来对多个岩土热响应试验的总结，由于地质条件的差异性以及测试孔的成孔工艺不同、深度不一，测试孔恢复至岩土初始温度时所需时间也不一致，通常在48h后测试埋管的状态基本稳定;但对于采用水泥基料作为回填材料的，由于水泥在失水的过程中会出现缓慢的放热，因此对于使用水泥基料作为回填材料的测试孔，测试孔应放置足够的时间(宜为10d以上)，以保证测试孔内岩土温度恢复至与周围岩土初始平均温度一致;此外，测试孔成孔完毕后，要求将测试孔放置48h以上，也是为了使回填料在钻孔内充分地沉淀密实。

C.3.4随着岩土深度以及岩土性质的不同，各个深度的岩土初始温度也会有所不同。待钻孔结束，钻孔内岩土温度恢复至岩土初始温度后，可采用在钻孔内不同深度分别埋设温度传感器(如铂电阻温度探头)或向测试孔内注满水的PE管中，插入温度传感器的方法获得岩土初始的温度分布。

C.3.5岩土热响应试验是一个对岩土缓慢加热直至达到传热平衡的测试过程，因此需要有足够的时间来保证这一过程的充分进行。在试验过程中，如果要改变加热功率，则需要停止试验，待测试孔内温度恢复至与岩土的初始平均温度一致时，才能再进行岩土热响应试验。

对于采用加热功率的测试，加热功率大小的设定，应使换热流体与岩土保持一定的温差，在地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于岩土初始平均温度5℃以上。如果不能保持一定的温差，试验过程就会变得缓慢，影响试验结果，不利于计算导出岩土热物性参数。

地埋管换热器出口温度稳定，是指在不少于12h的时间内，其温度的波动小于1℃。

C.3.6为有效测试项目所在地岩土热物性参数，应在测试开始前，对流量进行合理化设置:地埋管换热器内流速应能保证流体始终处于紊流状态，流速的大小可视管径、测试现场情况进行设定，但不应低于0.2m/s。

2.平均热导率的确定

在平均导热系数确定的简化分析模型中引进如下假设:①钻孔周围是均匀的(模拟所需是平均参数);②埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热，沿长度方向的传热量忽略不计;③埋管与周围岩土的换热强度维持不变(可以通过控制加热功率实现)。

根据上述假设，由换热器与其周围岩土体换热的换热方程可确定管内流体平均温度与深层岩土体的初始温度之间的关系可表达为

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式中:

d_b———钻孔直径(m);

C_s———岩土体的比热容(J/(kg·℃));

K_s———周围岩土的导热系数(W/(m·℃));

q_l———单位长度线热源热流强度(W/m);

R₀———单位长度钻孔内的总热阻(℃/W);

T_f———埋管内流体平均温度(℃);

T_ff———无穷远处岩土体温度(℃);

ρ_s———岩土体的密度(kg/m³);

t———时间(s)。

在以上简化模型中有三个未知参数K_s，R₀和ρ_sC_s。其中ρ_sC_s可以通过土样分析测试及选取经验数据进行加权平均计算而得，k_s和R₀可以利用传热反演求解结合最优化方法同时确定。根据换热量现场测试，测量回路中水的温度及其所对应的时间，根据已知的数据反推钻孔周围岩土体的导热系数K_s和钻孔内热阻R₀。将通过传热模型得到的流体的平均温度与实际测量的结果进行对比，通过调整传热模型中周围岩土体的导热系数和钻孔内热阻，当计算得到的结果与实测的结果误差最小时，对应的导热系数值即是所求的结果。