地层初始温度及结构对地埋管换热能力影响分析

李 娟，郑 佳，于 湲，郭艳春

（1.北京市地热研究院，北京102218；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

0 前言

浅层地温能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，据已有调查评价结果，我国336个地级以上城市浅层地温能年可开采资源量折合7亿吨标准煤，截至2015年底已实现供暖（制冷）面积3.92亿m2。浅层地温能开发利用主要有地下水地源热泵和地埋管地源热泵两种方式（杨俊伟等，2011），在浅层地温能开发利用初期，地下水地源热泵项目较多，近年来，地埋管地源热泵系统以其对浅层地温能资源更强的适宜性而迅速发展，应用规模、应用领域均不断扩大。

由于地埋管地源热泵具有可持续发展性，国内外逐步加强对它的系统研究（徐伟等，2013）。为提高浅层地温能开发利用效率，我国众多科研工作者以提高钻孔换热效率为核心，对地温场分布、不同回填介质、不同埋管形式、岩土体热导率影响因素等关键技术进行了深入研究（栾英波等，2014）。考虑到影响地埋管换热性能的主要因素包括了地质与水文地质条件、地层热物性参数和施工条件（岳丽艳，2012），而以往研究中较多关注地层热物性参数和施工条件，缺少地质条件对换热效果的影响分析研究。因此，本文利用通过现场热响应测试获得的实测数据，分析地层初始温度以及地层结构对地埋管换热能力的影响，为地埋管地源热泵系统的应用提供数据参考。

1 现场热响应测试

图1 现场热响应测试原理Fig.1 Field thermal response test principle

现场热响应测试，是采用浅层地温能测试仪和地埋管换热器连接组成闭合循环回路系统（图1）。测试条件下，热泵装置所产生或需要吸收的热量就会通过地埋管换热孔释放到岩土或从岩土中吸收热量。在此过程中，数据处理仪器采集并保存进、出仪器的温度、流量和产生的热量或吸收的热量数据，通过计算进而获取地层初始温度、单孔延米换热量、地层综合传热系数、平均导热系数等地埋管换热能力参数。

本文通过获取不同气候带现场热响应测试数据，分析了地层初始温度对地埋管换热能力的影响，同时在北京市不同地层结构区域开展了夏季工况现场热响应测试，分析了地层结构对地埋管换热能力的影响。

2 地层初始温度对地埋管换热能力影响

我国国土辽阔，从南到北有热带、亚热带、暖温带、中温带、寒温带以及高原气候区几种不同的气候带，其中亚热带、暖温带、中温带约占70.5%。不同气候带供暖和制冷的需求有很大的不同（表1），需求的地域性决定了浅层地温能的利用价值和方向（卫万顺等，2010）。

表1 不同地区浅层地温能需求和利用价值Tab.1 Shallow geothermal energy demand and utilization value in different areas

不同地区气候条件的差异主要影响了地层初始温度（唐凯等，2011），从而使地埋管换热性能有所不同。本文获取了北京、江苏、河北、山西、安徽、湖北等地的14个换热孔现场热响应测试结果（表2），绘制了地层初始温度与地埋管冬夏季延米换热量之间的变化关系（图2）。

从图2中可以看出，地埋管延米换热量与地层初始温度呈较好的线性相关性，图2(a)显示夏季地埋管延米换热量随地层初始温度的升高而减少，说明初始地温较低的地区有利于散热。冬季情况则相反，图2(b)显示地层初始温度高的区域有利于取热，地埋管冬季延米换热量数值较高，因此在温暖地区冬季地埋管的换热效果要优于寒冷地区。尽管各个地区的换热性能存在差异，并不意味着换热性能好的地方采用地埋管地源热泵就优于其它地区，地埋管换热系统的适宜性除了跟其换热性能有关外还与钻孔成井的地质条件等因素相关，由于地层颗粒度及含水层厚度等差别，经济性都有很大的差别，因此并不是换热最好的地区就最适宜建地源热泵。

表2 各地现场热响应测试结果一览表Tab.2 The list of field thermal response test results

图2 地层初始温度与延米换热量关系图Fig.2 The relationship between the original temperature of stratum and the heat transfer per meter

3 地层结构对地埋管换热能力影响

地埋管换热性能同时也受到地层结构的影响，以北京地区为例，北京平原区是由永定河、潮白河、温榆河、拒马河等河流冲洪积扇组成（蔡向民等，2009）。冲洪积扇上部山前水动力条件比较强，沉积颗粒物粗大，形成单一砂卵砾石层结构，地下水可直接接受大气降水补给，含水层性质为潜水，地层渗透性好，富水性强。冲洪积扇中部地层结构为粘性土层、砂层与砂砾石互层，含水层性质为潜水—弱承压水，地层渗透性较好，富水性较强。冲洪积扇下部地层结构为粘性土层、砂层互层，粘性土层数多且稳定，累积厚度增大，含水层性质为承压水，含水层渗透性一般，富水性一般。从冲洪积扇上部至下部，地层颗粒由粗变细，含水层结构由单一层逐渐过渡到多层，地下水位埋深由深变浅。

图3 8个换热孔位置图Fig.3 The position of 8 heat exchange holes

表3 地埋管换热量现场测试结果一览表Tab.3 Basic information of test drillings

在北京平原区各冲洪积扇的上、中、下游钻探8个换热孔（图3），开展夏季工况现场热响应测试，获得了各个换热孔的延米换热量数据。表3汇总了8个换热孔的测试结果，通过对比可以发现，位于北京市平原区冲洪积扇上部区域换热孔夏季的换热效果较好于冲洪积扇中下部，推测由于冲洪积扇上部地层颗粒粗，导热系数较大，同时富水性相对较好、地下水径流速度快，把岩层或松散层的热量带入或带出的速度也加快，增加了地埋管热交换能力，从而有利于提高地埋管换热能力。而冬季延米换热量是否呈现相同的规律，有待于通过试验获取数据进一步分析研究。

4 结论

不同地质条件下，地埋管换热器的换热能力有所不同，热能采集和扩散能力存在差异。本文通过获取不同气候带现场热响应测试数据，分析了地层初始温度对地埋管换热能力的影响，同时在北京市不同地层结构区域开展了夏季工况现场热响应测试，分析了地层结构对地埋管换热能力的影响，得出结论如下：

（1）不同地区气候条件的差异影响了地层初始温度，使地埋管换热性能有所不同。地埋管换热能力与地层初始温度呈较好的线性相关性，地埋管夏季延米换热量随地层初始温度的增加而减少，冬季延米换热量随地层初始温度的增加而增加。

（2）不同地层结构，地埋管换热能力存在差异，在富水性相对较好、岩性颗粒粗、地下水径流速度快的区域地埋管换热器的换热效果要优于富水性相对较差、岩性颗粒细、地下水径流速度慢的区域。

蔡向民，郭高轩，栾英波，等，2009.北京山前平原区第四系三维地质结构调查方法研究[J].地质学报，83 (7) ：1047-1057.

栾英波，卫万顺，于湲，等，2014.北京平原区地源热泵换热能力现场测试研究[J].现代地质，28(5)：1046-1052.

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徐伟，刘志坚，2013.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学，29(10)：26-33.

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