地埋管换热性能分析

含水层对地埋管换热性能影响分析

岳丽燕韩再生

( 中国地质大学（北京），北京100083 ）

【摘要】地下水渗流有利于地埋管换热，选取永定河洪积扇3个有代表性的工程实例，通过计算热响应测试的数据得到各项目的导热系数和每延米换热量，然后分析影响地埋管换热性能的影响因素，从而得出：在其他因素不变的条件下，含水层厚度大，换热功率也将增大，并识别出其相关方程。

【关键字】含水层热响应试验导热系数每延米换热量

Influencing Analysis of Ground Heat Exchanges with Aquifers

Yue liyan,Han Zaisheng, Guo Yanchun

China University of Geosciences (Beijing)

Abstract: Groundwater flow is propitious to the heat exchange in the pipe exchangers. Select three typical engineering examples in Yongding River alluvial fan. We can get coefficient of thermal conductivity and change of heat per meter through the calculation of thermal response test data. Then analysis the influencing factors of heat exchange performance in different situation. The regular pattern has been found. Those are the more groundwater flow passes the pipe, the more enhance for heat exchange rate. The correlative fouler formula has recognized. Keywords: Aquifer, Thermal response test, Thermal conductivity, Heat exchange per meter

1. 引言

地源热泵系统中影响地埋管换热性能的主要因素是土壤的热物性，影响土壤热物性的主要因素有：地层结构、含水层分布、静水位、地下水流速以及土壤初始温度等地质、地热地质和水文地质条件。大量的实践表明地下水渗流有利于地埋管换热，降低地埋管周围土壤的平均温度，也有利于减弱或消除由于换热器吸放热不平衡而引起的热量堆积。而实际工程应用中很少考虑项目区地下水渗流数据作为计算换热功率的因素，由于现有的系统设计一般没有考虑地下水渗流的影响，使得系统设计的不经济合理。

北京华清集团研制开发的浅层地热能冷、热响应测试仪可进行稳定工况试验[1]，该设计方法没有复杂的计算公式，可直接根据特定工况下的地埋管进出水温度及流量得到岩土体换热能力，将地下水流动、地下岩土体性质等不确定性因素包含在实际测试之中，因此测得的

岩土体换热特性更加准确。

2. 工程实例

根据永定河冲洪积扇不同部位的地层岩性以及含水层的分层特征，选取有代表性的三个工程实例：丰台马场公交总站、三海子郊野公园和北京市救助管理总站（见图1），分析其地埋管的换热特性。

2.1工程的水文地质特征

图1 永定河冲积扇水文地质剖面图[2]

图1 表示了处于北京永定河冲洪积扇不同位置三个工程的位置。可以看出：

马场公交总站位于丰台区东南四环，东经116°17′1″，北纬39°50′18″，海拔高度为47m 左右。从水文地质剖面图来看，此工程区位于冲洪积扇扇顶地区，沉积物颗粒粗大，形成单一砂卵砾石层结构，地层渗透性好，富水性好。工程区上覆第四系厚度为35m，其岩性为砂粘、卵砾石、漂石等，颗粒较大；下伏第三系沉积物主要岩性为泥岩，为相对不透水层。地下水静水位埋深22m左右，由于上部大部分含水层已疏干，现有含水层厚度较小。

三海子郊野公园位于大兴区东北部，亦庄、旧宫、瀛海三镇交界处，东经116°28′3″，北纬39°46′4″，海拔高程30m左右。从水文地质剖面图来看，此工程区位于冲洪积扇扇中地区，地层渗透性较好，富水性较好。工程区第四系厚度100m左右，岩性主要为粉土、粘土、细砂、中砂、砾石等，地下静水位埋深18m左右。

北京市救助管理总站地点位于北京市大兴区青云店镇大谷店村，东经116°31′48″，北纬39°39′58″，海拔高程25m左右。工区处于永定河冲洪积扇东部边缘地带，第四系厚度约200~250m，地层结构为粘性土层、砂层互层，局部夹有砾石，粘性土层数多且稳定，累积厚度增大，含水层渗透性一般，富水性一般，地下静水位埋深15m左右。

2.2 热响应测试数据分析

各项目首先进行地层初始平均温度测定，即在未向地埋管提供冷、热量的情况下使地埋管内的水形成循环，测得的循环水温度即为地层初始平均温度[3]。而后进行地埋管换热孔的冬季工况测试，测试中地埋管换热孔进水温度设定为5℃，流量设定为1.6m3/h。最后更换测试孔进行地埋管换热孔的夏季工况测试，测试中地埋管换热孔进水温度设定为35℃，流量设定为1.6m3/h[4]。各项目地测试数据分析曲线见下图（图2—图10）。

图2 马场公交总站地层初始平均温度曲线图3 三海子地层初始平均温度曲线

图4 救助管理总站地层初始平均温度曲线

图5 马场公交总站测试孔夏季工况测试曲线图6 马场公交总站测试孔冬季工况测试曲线

图7 三海子夏季工况测试曲线 图8 三海子冬季工况测试曲线

图9 救助总站夏季工况测试曲线 图10 救助总站冬季工况测试曲线

根据测量的温度、流量、功率，采用圆柱热源理论模型结合参数估计法来计算土壤导热系数。根据Carslaw 、Jaeger （1947）和Ingersoll （1948，1954）的理论，圆柱源解为：

'

0(,)Q T T G z p k -=

其中 2t

z r α=，0

r p r =，0r ——钻孔半径； 2330.891290.36081lg 0.05508lg 3.5961*10lg 10Z Z Z G -⎡⎤-+-+⎣⎦=

假设岩土导热系数k ，由此可得到钻孔壁上的温度：

()'

01w Q T T G z k

=+， 再假设钻孔内热阻，则平均水温可以通过累计远边界温度0T 到管内的温降得到。平均水温aw T 如下表示：

'aw w T T Q R =+