淺層地溫能資源參數(shù)測(cè)試及高效采集、轉(zhuǎn)化技術(shù)-鄭佳

講解人：鄭佳淺層地溫能利用參數(shù)測(cè)試及高效采集技術(shù)研究一、

國(guó)內(nèi)外研究概況二、

熱物性參數(shù)測(cè)試方法三、

淺層地溫能高效采集技術(shù)研究四、

結(jié)語(yǔ)國(guó)內(nèi)外研究概況1國(guó)外：淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用已有近百年的開(kāi)展歷程，在歐美、日本等興旺國(guó)家已非常成熟。熱泵機(jī)組、地埋管換熱器以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝已具有一整套標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法和施工工藝。國(guó)內(nèi)：我國(guó)熱泵技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作開(kāi)展得比較晚，但憑借其平安高效、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，熱泵技術(shù)開(kāi)展迅速。一些國(guó)內(nèi)大學(xué)、科研院所紛紛進(jìn)行地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，熱工性能的研究，傳熱強(qiáng)化技術(shù)、傳熱模型的理論與試驗(yàn)研究，土壤耦合熱泵系統(tǒng)冬夏季啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究，地下埋管的鋪設(shè)形式及管材的研究，回填材料的研究，土壤凍結(jié)對(duì)地下埋管換熱器傳熱性能的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝問(wèn)題的研究等。一、

國(guó)內(nèi)外研究概況二、

熱物性參數(shù)測(cè)試方法三、

淺層地溫能高效采集技術(shù)研究四、

結(jié)語(yǔ)熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法1

巖土體屬于非導(dǎo)電固體，其熱導(dǎo)率可以通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)兩種方法來(lái)確定。理論上，可以通過(guò)研究物質(zhì)的導(dǎo)熱機(jī)理，確定物質(zhì)的導(dǎo)熱模型，通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析等方法來(lái)確定物質(zhì)的熱導(dǎo)率，但是分析過(guò)程復(fù)雜，所以實(shí)驗(yàn)法仍然是目前確定巖土體熱導(dǎo)率的主要途徑。熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法1熱導(dǎo)率測(cè)量方法穩(wěn)態(tài)法非穩(wěn)態(tài)法縱向流法徑向熱流法直接電加熱法熱電法熱比較法福勃棒法周期熱流法瞬態(tài)熱流法絕對(duì)法比較法混合法圓柱體法矩形棒法絕對(duì)法比較法徑向熱流法閃光法縱向熱流法熱線法熱探針?lè)釒Х◤较驘崃鞣v向熱流法3W法常功率平面熱源法按照試樣在測(cè)試過(guò)程中的溫度分布是否隨時(shí)間變化，可以將熱導(dǎo)率測(cè)試方法分為兩大類：即溫度不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)法和溫度隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)法。熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法1瞬態(tài)法穩(wěn)態(tài)法測(cè)試方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)瞬態(tài)法裝置簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間短，工質(zhì)本身溫升小，所需樣品量少，同時(shí)測(cè)出多個(gè)物性參數(shù)對(duì)于熱絲的質(zhì)量和安裝及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度和精度有很高要求穩(wěn)態(tài)法原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，適用范圍廣，準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，每次實(shí)驗(yàn)都必須處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)易受外界干擾，對(duì)流影響較大不同測(cè)試方法測(cè)試精度分析2目前熱導(dǎo)率測(cè)試應(yīng)用較多的是瞬態(tài)熱線法、瞬態(tài)熱源平面法和激光閃光法。通過(guò)把在同一地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采取的粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土樣品制成33件樣品，分別采用以上三種方法測(cè)量各樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)采用相對(duì)誤差分析法〔〔最大值或最小值—平均值〕/平均值〕進(jìn)行處理，得出各測(cè)試方法的相對(duì)誤差。瞬態(tài)熱線法和平面熱源法測(cè)試精度較高，閃光法最低。

樣品制備規(guī)格對(duì)測(cè)試精度影響分析3同一樣品三種直徑熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果的誤差在5%以內(nèi)。

參照土工試驗(yàn)的制樣方法，選取了Φ70mm、Φ60mm、Φ50mm三種環(huán)刀口徑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的兩個(gè)土樣制作測(cè)試樣品，進(jìn)行相應(yīng)的熱導(dǎo)率測(cè)試。樣品儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)測(cè)試精度影響分析4對(duì)4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集的土樣用保鮮膜儲(chǔ)存15天，每天取出來(lái)測(cè)量其熱導(dǎo)率，分析熱導(dǎo)率值隨時(shí)間的變化。15天內(nèi)每天測(cè)試，熱導(dǎo)率測(cè)試值變化小于<0.1W/mK。

巖土熱物性參數(shù)原位熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試法5巖土初始平均溫度測(cè)試采用水溫平衡法：測(cè)試原理是測(cè)試孔安裝完成后在PE管內(nèi)充滿水，足夠時(shí)間后，PE管內(nèi)的水與巖土體的溫度到達(dá)平衡，此時(shí)通過(guò)水泵循環(huán)將PE管內(nèi)的水泵出，同時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的變化，從而分析巖土體的溫度；熱物性參數(shù)測(cè)試采用穩(wěn)定工況或穩(wěn)定熱流法：穩(wěn)定工況方法測(cè)試原理是測(cè)試車建立穩(wěn)定的地埋管換熱器的運(yùn)行工況，即穩(wěn)定的設(shè)備供水溫度和循環(huán)流量，在工況穩(wěn)定的情況下測(cè)定地埋管換熱器的換熱量，結(jié)合必要的計(jì)算參數(shù)通過(guò)傳熱模型計(jì)算得到換熱孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)；巖土熱物性參數(shù)原位熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試法5穩(wěn)定熱流方法測(cè)試原理是通過(guò)測(cè)試車向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過(guò)監(jiān)測(cè)地埋管換熱器的進(jìn)、出水溫度的變化和流量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算后得到換熱孔的平均導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和原位熱響應(yīng)測(cè)試參數(shù)比照6孔深或?qū)游?0m60m80m40~60m60~80m實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平均導(dǎo)熱系數(shù)1.561.451.391.241.21現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平均導(dǎo)熱系數(shù)1.721.611.571.391.45導(dǎo)熱系數(shù)差值0.160.160.180.050.24差異比例9.3%10%11.5%10.8%16.6%實(shí)驗(yàn)室測(cè)試巖土樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，由于飽水的原狀樣在運(yùn)輸、存放和制備的過(guò)程中存在水分的局部流失，造成含水率下降，使得測(cè)試結(jié)論要比巖樣的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)偏低。在順義某地測(cè)試結(jié)論比照中，差異比例隨地層粒徑增大而增大，說(shuō)明在上述過(guò)程中飽水砂層比粘土層的失水更加嚴(yán)重。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中巖樣中的水分是靜止不動(dòng)的，而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中地下水是流動(dòng)的，在相同的含水率或是均為飽和狀態(tài)下的相同巖性地層中，地下水徑流強(qiáng)度會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)論產(chǎn)生顯著影響，地下水的流動(dòng)所帶來(lái)的對(duì)流換熱可顯著提高地層換熱能力。一、

國(guó)內(nèi)外研究概況二、

熱物性參數(shù)測(cè)試方法三、

淺層地溫能高效采集技術(shù)研究四、

結(jié)語(yǔ)施工及材料對(duì)換熱能力影響1雙U管DN32與DN25對(duì)比回填料對(duì)比雙U與單U對(duì)比單U管DN32與DN25對(duì)比換熱器深度研究埋管方式對(duì)換熱能力影響2工況項(xiàng)目1#換熱孔水平埋管埋管參數(shù)埋管深度（位置）80米2.5米總管長(zhǎng)320米220米管徑DN32DN32地層原始溫度13.5℃15℃測(cè)試工況進(jìn)口溫度35.0℃34.2℃出口溫度31.8℃30.9℃換熱溫差3.2℃3.3℃流量1.60m3/h2.55m3/h換熱量75.49/延米37.95/米綜合換熱系數(shù)3.80W/（m·℃）3.06W/（m·℃）標(biāo)準(zhǔn)工況排熱量72.2/延米37.28/米取熱量30.4/延米20.24/米不同地質(zhì)因素對(duì)換熱能力影響3不同氣候帶巖土體原始溫度比照?qǐng)D不同氣候帶下巖土體原始溫度與平均導(dǎo)熱系數(shù)比照?qǐng)D通過(guò)比較不同氣候帶巖土體的測(cè)試成果數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著工程所在地在中溫帶、南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶的分布，土壤的淺表層溫度逐漸升高，引起巖土體的原始溫度增加。巖土體原始溫度與平均導(dǎo)熱系數(shù)之間沒(méi)有明顯相關(guān)性。不同氣候帶不同地質(zhì)因素對(duì)換熱能力影響3系統(tǒng)名稱所在區(qū)縣鉆孔編號(hào)孔深（m）延米換熱量（w/m)鉆孔深度范圍內(nèi)地層描述潮白河沖洪積扇上游懷柔HR-1110051.9地層時(shí)代屬于第四系，地層結(jié)構(gòu)以顆粒較粗的卵漂石、砂礫石、粗砂、中砂及細(xì)砂為主潮白河沖洪積扇中游順義HR-1210069.27地層時(shí)代屬于第四系，鉆孔深度范圍內(nèi)地層結(jié)以粉土、粘土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂及卵石為主順義HR-815066.7地層時(shí)代屬于第四系，鉆孔深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)以泥砂、細(xì)砂、中砂、粗砂為主，含有少量卵石潮白河沖洪積扇下游通州HR-1313065.6地層時(shí)代屬于第四系，鉆孔深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)以粘土、粉砂、細(xì)砂、及中砂為主通州HR-415062.5地層時(shí)代屬于第四系，鉆孔深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)以粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂和中砂為主不同水文地質(zhì)條件不同地質(zhì)因素對(duì)換熱能力影響3開(kāi)展抽水試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn)，通過(guò)改變地下水徑流條件觀測(cè)地層換熱能力變化。其中抽水試驗(yàn)布置抽水井1眼，觀測(cè)井3眼；現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn)布置換熱測(cè)試孔2眼。不同地下水流速不同地質(zhì)因素對(duì)換熱能力影響3未抽水時(shí)試驗(yàn)區(qū)水位等值線圖抽水量30m3/d試驗(yàn)區(qū)水位等值線圖地下水徑流條件的改變會(huì)對(duì)換熱能力產(chǎn)生影響，從試驗(yàn)結(jié)果看，流速越大換熱效果越好，建議對(duì)于富水性較強(qiáng)地區(qū)進(jìn)行地埋管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮地下水水位及流速等因素，有利于實(shí)現(xiàn)淺層地溫能資源的合理、高效采集。一、

國(guó)內(nèi)外研究概況二、

熱物性參數(shù)測(cè)