周聰 張育平 朱昱諶 官燕玲 王興 荀迎久

摘要：在西安某廠區(qū)深層地?zé)釋泳惭b了埋深大于2 000 m且深度不同的2個(gè)豎向U型深埋管換熱系統(tǒng)，應(yīng)用原位實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了換熱特性的研究。實(shí)驗(yàn)條件為埋管進(jìn)水溫度和水流率基本恒定，實(shí)時(shí)檢測埋管的出水溫度。通過埋管進(jìn)、出水溫差及流率得到埋管在實(shí)驗(yàn)條件下的綜合換熱強(qiáng)度及不同深度地?zé)峋膶?shí)驗(yàn)，表明埋管深度的增加對換熱強(qiáng)度的影響很大。

關(guān)鍵詞：U型深埋管;換熱性能;原位實(shí)驗(yàn);埋管深度;中深層地?zé)崮?建筑供暖

中圖分類號：X 936文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1672-7312（2019）02-0163-05

0引言

地?zé)崮苁乔鍧嵀h(huán)?？稍偕茉矗Y源儲(chǔ)量大、分布廣。地?zé)崮軄碓从诘厍蛲獠亢偷厍騼?nèi)部，其中，地球內(nèi)部是主要的熱能來源，由于地核的作用，巖土向下越深溫度越高。近年來，在西安出現(xiàn)了深埋管建筑供暖應(yīng)用項(xiàng)目，豎向埋管深度超過2 000 m，該深度的巖土溫度可達(dá)70 ℃以上，因此對于同樣的取熱量，深埋管換熱系統(tǒng)相對淺埋管換熱系統(tǒng)（土壤源熱泵埋管深度一般在100 m至150 m之間）所需的埋管占地面積會(huì)大大減小，因此該項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，受到高度關(guān)注。

無論淺層地埋管或是深層地埋管，地埋管換熱器是整個(gè)換熱系統(tǒng)中最重要的組成部分。對于淺層地埋管換熱器傳熱特性的研究一直備受關(guān)注[1-4]，相關(guān)的理論已較成熟。與淺層地埋管不同的是，深層地埋管上下溫度以及巖土熱物性參數(shù)變化很大[5-8]，很難將問題簡化為溫度上下一致和巖層結(jié)構(gòu)上下均勻的均質(zhì)場問題，因此不能將淺層埋管換熱理論直接用于深埋管。針對不同埋深的2個(gè)豎向U型深埋管，采用原位試驗(yàn)的方法[9]，探索深埋管的換熱性能。

第2期周聰?shù)龋簞?chuàng)新型豎向U型深埋管供暖換熱性能實(shí)驗(yàn)1深埋管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

原位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置在西安市一個(gè)在建項(xiàng)目的廠區(qū)內(nèi)，該區(qū)內(nèi)有水井，涌水量穩(wěn)定，可以作為埋管進(jìn)水水源，其水溫基本恒定。實(shí)驗(yàn)中，溫度和流率基本穩(wěn)定的水流進(jìn)入深埋管，沿途吸收巖土的熱，埋管出口水溫升高。通過埋管進(jìn)、出水的溫差以及流率可以得到埋管綜合換熱強(qiáng)度。

1.1巖土熱物性參數(shù)以及初始條件、邊界條件

本熱泵施工地位于西安市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，北郊尚稷路與草灘三路十字東南角。地貌單元為渭河河漫灘以上一級階地[10]，地面標(biāo)高370.20～372.33 m.為新生界第四系上全新統(tǒng)（Q42al）沖積含礫中細(xì)砂、中粗砂及砂礫卵石層，亞砂土、粉質(zhì)土層。厚度9.15～52.41 m.南部二級階地區(qū)為下全新統(tǒng)沖積層（Q41al），由棕黃、黃褐、黃白色的亞粘土、亞砂土、粉細(xì)沙，中、粗砂含礫卵石層，厚度可達(dá)數(shù)百米。渭河北岸及市區(qū)以南為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），由淡黃色色、黃白色的黃土、亞砂土組成，具有垂直節(jié)理，含蝸?；?，底部有灰白色鈣質(zhì)結(jié)核層。

鉆井鉆經(jīng)地層自下而上有：新生界新近系上新統(tǒng)藍(lán)田灞河組（N2l+b）、張家坡組（N2z）、第四系下更新統(tǒng)三門組（Q1s）、中更新統(tǒng)-全新統(tǒng)秦川群（Q2-4qc）。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，渭河一級階地的恒溫層在地表以下10 m，恒溫層溫度為15～15.5 ℃.西安市區(qū)及近郊區(qū)200 m深的地溫，一般都低于21 ℃.根據(jù)專業(yè)測井部門測井，得到 “熱1井”土壤恒溫層以上0～20 m深的溫度為15 ℃ ，鉆井底2 100 m處溫度為70.29 ℃，“熱2井”初始巖土溫度參照“熱1井”設(shè)置。

先對鉆井的取樣巖芯進(jìn)行測量，確定巖土熱物性參數(shù)，主要是巖土的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等參數(shù)。

對“熱1井”深度在2 012 m和2 018 m，“熱2井”深度大于2 100 m的巖土熱物性進(jìn)行了測試試驗(yàn)。得到試驗(yàn)段巖土的熱物性參數(shù)，見表1.

1.2埋管幾何尺寸

埋管形狀如圖1所示，圖中HX為埋深。2個(gè)U型深埋管埋深不同，H1=2 100 m稱為“熱1井”、H2=2 500 m稱為“熱2井”。

2種埋深的U型深埋管都由直井和對接井2部分組成，在埋管與井壁之間用水泥固井，形成水泥固井層，保證鉆孔內(nèi)各個(gè)層位的地下水不串層，避免地下水質(zhì)污染。直井為出水井，臨近地面有h米的保溫段，其中“熱1井”為350 m，“熱2井”為700 m，保溫材料為40 mm聚氨酯。對接井為進(jìn)水井，無保溫段。直井保溫段固井外徑c2為444.5 mm，非保溫段直徑c1為215.9 mm，對接井固井外徑c3為215.9 mm.直井和對接井的埋管均為石油鋼管，out和in規(guī)格分別為77.8 mm×8.05 mm和39.7 mm×9.17 mm，兩井水平間距S均為205 m，相對位置如圖2所示。

1.3實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)如圖3所示。管路系統(tǒng)，除了埋管，在地面上有一個(gè)進(jìn)水管和一個(gè)出水管。進(jìn)水管由潛水泵抽引水井的水引入埋管進(jìn)口，潛水泵的揚(yáng)程要克服水流動(dòng)全程的阻力。出水管將埋管中的水引出，排入無壓排水管道。

在實(shí)驗(yàn)中，以水作為換熱介質(zhì)，通過循環(huán)管路提取地下熱量，通過水泵的變頻來控制水流量;在進(jìn)、出水管上檢測水的溫度、流量、壓力。如圖3所示，出水管和進(jìn)水管各設(shè)一個(gè)lks350電磁流量傳感器，精度為0.5%，在電磁流量傳感器前后分別裝有pt100溫度傳感器，測溫范圍為-20～450 ℃，精度為0.2 ℃，進(jìn)出口壓力檢測采用壓力表。實(shí)驗(yàn)用水泵型號為250QJ100-108，電機(jī)功率45 kW，揚(yáng)程108 m.其中，“熱1井”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。對溫度、流率實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集系統(tǒng)為組態(tài)王，最小采集時(shí)間設(shè)為0.2 s.圖3實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測埋管進(jìn)水溫度、流率以及經(jīng)巖土加熱后埋管的出水溫度，從而計(jì)算出實(shí)驗(yàn)條件下的埋管綜合換熱強(qiáng)度。

針對2種埋深的U型深埋管，實(shí)驗(yàn)條件均為連續(xù)運(yùn)行72 h，“熱1井”保持進(jìn)水溫度穩(wěn)定在19.5 ℃左右，流量穩(wěn)定在40.5 m3/h左右;“熱2井”保持進(jìn)水溫度穩(wěn)定在19.5 ℃左右，流量穩(wěn)定在46.5 m3/h左右。

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

“熱1井”實(shí)驗(yàn)從2016年11月29日9時(shí)開始，到12月2日9時(shí)結(jié)束，共72 h;“熱2井”實(shí)驗(yàn)從2017年2月28日10時(shí)開始，到3月3日10時(shí)結(jié)束，共72 h.溫度及流量的檢測時(shí)間步長為0.2 s，整理檢測結(jié)果見表3，表4.其中進(jìn)、出口溫度分別為該時(shí)刻各自2個(gè)溫度傳感器同時(shí)刻的平均值。流率為該時(shí)刻進(jìn)、出口2個(gè)流量傳感器瞬時(shí)流率的平均值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)出口溫差和流率，由公式（1）可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)時(shí)換熱強(qiáng)度。

2.2實(shí)驗(yàn)分析

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制“熱1井”和“熱2井”連續(xù)運(yùn)行時(shí)的進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

從表3，表4和圖5可以看到，在實(shí)驗(yàn)條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水溫度基本穩(wěn)定;埋管出口水溫一開始降低很快，這是因?yàn)樵陂_始運(yùn)行之前，管中水的溫度與周圍巖土的溫度基本相同，最深處大于70 ℃;在隨后運(yùn)行中，溫度降低速度緩慢下來。由于進(jìn)水溫度不變，出水溫度的降低，說明隨著運(yùn)行，埋管的換熱強(qiáng)度在逐漸減小。在72 h時(shí)刻，“熱1井”出水溫度為29.45 ℃，換熱強(qiáng)度為0.479 5 MW左右，“熱2井”出水溫度為32.80 ℃，換熱強(qiáng)度為0.732 4 MW.

根據(jù)表3和表4中實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)時(shí)換熱強(qiáng)度，對埋管深度為2 100 m的“熱1井”和埋管深度為2 505 m的“熱2井”在2種實(shí)驗(yàn)條件下埋管實(shí)時(shí)換熱強(qiáng)度進(jìn)行了繪圖比較，如圖6所示。可以看到，2個(gè)井的換熱強(qiáng)度的變化趨勢基本相同，在一開始下降很快，在系統(tǒng)運(yùn)行約10 h以后下降速度變緩，運(yùn)行30個(gè)小時(shí)后接近于水平，運(yùn)行到60 h和72 h，“熱1井”、“熱2井”的換熱強(qiáng)度分別為0.482 5，0479 5 MW以及0.749 3，0.732 4 MW，前后分別只降低了0.003 MW和0.016 9 MW;從換熱強(qiáng)度隨時(shí)間的變化來看，2個(gè)井的換熱強(qiáng)度之間基本為等距變化。

2 500 m深的“熱2井”與2 100 m深的“熱1井”埋深相差400 m（總埋管長度相差810 m），即“熱2井”的埋深相對于“熱1井”增加了19.28 %;從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到，埋管換熱強(qiáng)度“熱2井”比“熱1井”大了0.252 9 MW，即“熱2井”的換熱強(qiáng)度相對于“熱1井”增加了52.7%.結(jié)合深埋井的幾何尺寸（總長度），得到“熱1井”和“熱2井”實(shí)驗(yàn)工況下的埋管單位延米換熱強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)最后時(shí)刻分別為111.19，140.43 W/m;用“熱2井”增加的換熱強(qiáng)度除以增加的深度，可以得到“熱2井”相對于“熱1井”埋深每增加1 m時(shí)，對應(yīng)增加的換熱強(qiáng)度為312.22 W/m.

由于2個(gè)深埋管除深度外的其他幾何參數(shù)均相同，因此2個(gè)深埋管的換熱強(qiáng)度差異全部來源于埋管深度的差異。由以上數(shù)據(jù)可見，對于深埋管而言，埋管深度的增加對換熱強(qiáng)度的影響很大。

3結(jié)語

1）埋管換熱強(qiáng)度隨著運(yùn)行在減小，開始下降很快，逐漸趨緩，且2個(gè)埋深度的變化趨勢基本相同。

2）在實(shí)驗(yàn)條件下，運(yùn)行到72 h時(shí)，埋深2 100 m的換熱強(qiáng)度為0.479 5 MW，埋深為2 500 m的換熱強(qiáng)度為0.732 4 MW.

3）“熱2井”比“熱1井”埋深增加了19.28%，換熱強(qiáng)度卻增加了52.7%，表明埋管深度的增加對換熱強(qiáng)度的影響很大。

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（責(zé)任編輯：張江）