地下水对现场热响应试验换热量影响分析_尹陈.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-01-06修回日期 2020-01-06 基金项目 贵州省地矿局地质科研资金资助项目 “黔北地区不同水文地质条件下碳酸盐岩热物性特征研究” 黔地矿科合 （2019） 18号。 第一作者简介 尹陈 （1996-） ， 男 （汉族） ， 贵州黔南州人， 助理工程师， 现从事水文地质、 工程地质、 环境地质及地热资源勘查开发工作。 地下水对现场热响应试验换热量影响分析 尹陈*1,田小林 1， 2,汤自华1， 2,杨婷婷1,吴 岚 1 （1.贵州浅层地温能开发有限公司， 贵州 贵阳 550000； 2.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队， 贵州 遵义 563000） 摘要随着世界能源日夜紧张， 浅层地热能作为一种绿色环保可再生的优质清洁能源， 越来越受到 大家的关注。选取了贵州省仁怀市妇幼保健院和炮台巷两个靶区进行现场热响应试验， 通过对两个 靶区现场热响应试验数据分析对比。在不考虑其他问题的情况下， 当靶区地下水丰富时地埋管每延 米换热量相对于地下水贫乏区更高， 这对优化地埋管地源热泵工程钻孔布设、 减少钻孔数量、 减少地 源热泵工程前期投资有重要意义。 关键词 现场热响应试验； 延米换热量； 地下水 中图分类号 P64 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0155-03 在地源热泵的设计中， 地埋管换热量是一个很重 要的设计参数。在地埋管地源热泵系统工程前期应按 规范进行现场热响应试验， 它的目的是为了准确地获 取地埋管单孔换热能力[1]。影响地埋管单孔换热能力 的因素有很多， 比如地层初始温度、 靶区水文地质条件 等。贵州地区地层初始温度介于15℃～18℃， 适宜浅 层地热能地源热泵的开发利用[2]。本文通过对靶区有 无地下水现场热响应试验的研究来分析它对地埋管单 孔换热能力的影响。 1靶区地质概况 仁怀妇幼保健院主要分布地层为寒武系芙蓉统娄 山关组∈3-4l地层， 岩性为灰白色中至厚层状白云岩。 靶区内地质构造发育较为简单， 为北东向单斜构造， 岩 层倾向北东， 倾角约28。靶区内属于地下水疏干区， 地下水主要以大气降水入渗补给为主， 补给区主要分 布于北东面谷地及斜坡地带； 降雨延较为发育的裂隙、 溶隙、 溶孔下渗并在其中运移和径流， 受地形地貌控制 最终排泄于西南盐津河最低排泄基准面。 仁怀炮台巷主要分布地层为寒武系芙蓉统娄山关 组∈3-4l地层， 岩性为灰白色中至厚层状白云岩夹泥质 白云岩。靶区内袍桐坪断层经过， 总体走向北东、 倾向 北西、 倾角67左右， 断层带宽3～10m。断层上盘富水 性较为丰富， 断层下盘富水相对较弱。靶区内地下水 丰富， 地下水主要接受大气降水入渗补给， 补给区主要 分布于其北东方向展布的碳酸盐岩区， 大气降水主要 通过构造裂隙、 溶孔、 溶隙等通道下渗补给， 并在其中 运移、 径流， 受北西面碎屑岩、 南东面袍桐坪阻水断裂 阻隔， 地下水富集于深切的盐津河右岸台地中， 形成了 特殊的台地富水块段。受地形地貌及袍桐坪断层控制 以岩溶大泉形式排泄于盐津河最低排泄基准面。 2现场热响应试验简介 2.1现场热响应试验靶区简介 本文选取了仁怀妇幼保健院ZK1号钻孔和仁怀炮 台巷ZK2号钻孔进行现场热响应试验。试验点的地层 岩性、 地埋管埋管方式、 试验孔径、 下管深度及回填方 式具体见表1。工程应用中地埋管埋管深度一般选用 100～150m， 本文选用的现场热响应试验管长为120～ 130m。 2.2现场热响应试验方法简介 仁怀妇幼保健院选取ZK1号孔， 仁怀炮台巷选取 了ZK2号孔进行现场热响应试验。试验流程按照初始 地温测试→稳定工况下进行放热测试→地温恢复测 试。 初始地层温度测试采用地埋管水温平衡法， 首先 向换热器注水， 以水作为换热器循环介质； 注水完成后 进行打压试验， 保证换热器完好不漏水； 成孔完成后下 155 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 放换热器， 进行原浆回填； 静置48h， 让换热器里面的水 于周围岩土体达到温度平衡， 此时通过热响应仪器里 面的循环水泵将换热器里面的水泵出， 同时监测水温 变化， 从而分析出岩土体初始温度[3]。 放热测试是在稳定的夏季工况 （30℃） 或稳定的冬 季工况 （7℃） 下， 通过对换热器回路中介质进行加热， 实时监测地埋管传热介质流量和进出口温度， 稳定监 测36h后， 对数据进行分析处理， 从而确定每延米地埋 管换热器的放热能力。 地温恢复测试是对换热器回路中介质停止加热 后， 继续监测地埋管进出口温度， 直至进出口温度稳 定， 监测时间不少于12h后， 对数据进行分析， 从而确定 地温恢复时间。 3现场热响应试验数据分析 3.1初始地温测试数据分析 仁怀妇幼保健院ZK1号孔以及仁怀炮台巷ZK2号 孔初始地温测试时间均为24h以上， 从地埋管回水温度 随时间变化曲线图 （图1） 可以看出200min之前两个孔 地埋管出口温度呈缓慢上升的状态， 200min之后两个 孔的地埋管出口温度趋近于平衡状态， 只有局部某些 时刻因为天气原因或其他因素出现较大变动， 温度变 幅未超过0.5℃属于正常变化范围。通过对ZK1、 ZK2 两个孔200min后地埋管出口温度数据进行算数平均， 获得两个孔算数平均值分别为 18.34℃、 17.38℃， 即 ZK1、 ZK2 号孔地层初始平均温度分别为 18.34℃、 17.38℃。 3.2稳定工况测试数据分析 仁怀妇幼保健院ZK1号孔靶区属于地下水疏干 区， 放热测试时换热器热量散失全靠周围岩土体散热， 换热器进出口平均温度相对较高。从夏季工况ZK1放 热测试数据分析曲线图 （图2） 可以看出， 600min之后 地埋管换热器进出口温度基本达到稳定， 呈缓慢上升 趋势。估放热测试数据从600min之后为有效数据， 在 此段时间内地埋管进口平均温度为30.57℃， 地埋管出 口平均温度为27.13℃， 瞬时流量均值为1.52m3/h， 加热 功率平均值为6.08kW， 测试孔深为130m， 依据公式计 算[4]夏季工况每延米换热量为52.74W/m。冬季工况下 运用数值模拟采用同样的计算方法获得每延米换热量 为50.81W/m。 仁怀炮台巷ZK2号孔靶区属于富水台地， 钻孔位 置处于袍桐坪断层上盘， 地下水丰富。放热测试时由 于靶区地下水丰富， 地埋管换热器热量大部分被地下 水带走， 换热器进出口平均温度相对较低。从夏季工 况 ZK2 放热测试数据分析曲线图 （图 3） 可以看出 700min之后地埋管换热器进出口温度基本达到稳定， 呈稳定上升趋势。估放热测试数据从700min之后为有 效数据， 在此段时间地埋管平均进口温度为24.39℃， 地埋管平均出口温度为 20.37℃， 瞬时流量均值为 1.28m3/h 加热功率平均值为 5.97kW， 测试孔深为 126m， 依 据 公 式 计 算 夏 季 工 况 每 延 米 换 热 量 为 78.28W/m， 冬季工况下运用数值模拟采用同样的计算 靶区 仁怀妇幼保健院 仁怀炮台巷 孔号 ZK1 ZK2 地层岩性 0～3m为第四系黄粘土、 亚粘土、 杂填 土， 3m以下为白云岩 0～6m为杂填土， 6m以下为白云岩夹 泥质白云岩 埋管方式 双U 试验孔径 150mm 下管深度 130m 126m 回填方式 原浆回填 表1现场热响应试验靶区简介 图1地埋管回水温度随时间变化曲线图 图2ZK1放热测试数据分析曲线图 156 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 方法获得每延米换热量为60.49W/m。 3.3地温恢复数据分析 仁怀妇幼保健院ZK1号钻孔靶区属于地下水疏干 区， 靶区内无地下水。停止加热后， 换热器内传热介质 热量只能通过周围岩土体扩散， 地层温度恢复较慢。 从地温恢复数据分析曲线图 （图4） 可以看出700min之 后地层温度基本达到平衡 （温度变幅不超过0.5℃） 。 仁怀炮台巷ZK2号钻孔靶区属于特殊的富水台 地， 靶区内地下水丰富。停止加热后， 换热器内传热介 质热量除了通过周围岩土体扩散外， 大部分热量被靶 区地下水带走， 地层温度恢复较快。从地温恢复数据 分析曲线图 （图4） 可以看出400min之后地层温度基本 达到平衡。 4结论 （1） 仁怀妇幼保健院ZK1号孔夏季工况下延米换 热量为 52.74W/m， 模拟冬季工况下延米换热量为 50.81W/m， 仁怀炮台巷ZK2号孔夏季工况下延米换热 量 为 78.28W/m， 模 拟 冬 季 工 况 下 延 米 换 热 量 为 60.49W/m。 （2） 地下水丰富的仁怀炮台巷靶区相对于地下水 贫乏的仁怀妇幼保健院靶区冬夏季工况下延米换热量 更高。 （3） 在不考虑其他因素的情况下， 将地埋管地源热 泵系统布孔区域布设在地下水丰富区域可提高地埋管 换热量。在工程冷热负荷一定的情况下可减少工程钻 孔数量， 可直接减少地埋管地源热泵系统工程投资。 （4） 仁怀妇幼保健院ZK1号孔地层温度700min以 后基本达到平衡， 仁怀炮台巷 ZK2 号孔地层温度 400min以后基本达到平衡， ZK2号孔比ZK1号孔快了 300min， 地下水丰富的靶区地层温度恢复更快， 这对优 化地埋管地源热泵系统工程前期设计提供参考意义。 参考文献 [1]岳丽燕， 孟令军， 赵苏民， 等.天津市浅层地热能存在的热堆 积问题及解决方法探讨[J].地质调查与研究， 2017， 40176- 80. [2]岳丽燕， 孟令军， 李珊.地层初始温度对地埋管换热量影响 分析[J].地质调查与研究， 2018， 413224-227， 234. [3]毕文明， 岳丽燕.岩土体初始平均温度测试方法探讨[J].地源 热泵， 2011 （1） 18-22. [4]丁永昌， 刁乃仁， 李宜程， 等.不同气候区岩土热物性测试分 析[J].节能， 2015 （9） 71-73. 图3ZK2放热测试数据分析曲线图 图4地温恢复数据分析曲线图 （上接第154页） （1） 形成一套适合山区厚黄土卵石层交织覆盖区 多障碍物、 多目的层、 构造复杂地区合理有效的三维地 震勘探技术工艺， 具有同类型地区的广泛适用性和普 遍推广性。 （2） 采勘对比 目前该勘探区运输大巷施工完毕， 三维地震探测8条断层， 巷道实际揭露11条断层， 未探 明的均为3m以下小型断层， 采探吻合率高达70， 为 矿井开采设计提供了地质依据。 参考文献 [1]何樵登， 等.地震勘探原理和方法[M].北京 地质出版社， 1986. [2]李庆忠.走向精确勘探的道路一高分辨率地震勘探系统工 程剖析[M].北京 石油工业出版社， 1995. [3]武学明， 邓洪亮.三维地震在煤矿隐伏断层探测中的应用[J]. 中国煤炭地质， 20081 67-69. [4]成润根,王雷,等.霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿三 维地震勘探报告[R].中国煤炭地质总局水文物测队， 2019. 157 ChaoXing