华北平原主要城市浅层岩土综合导热能力研究——基于现场热响应试验分析

现场热响应试验方法可以获得换热深度内岩土体热物性参数的平均值,能够较真实地模拟地源热泵的实际运行情况,在地源热泵工程勘查设计阶段得到了广泛的应用。本文基于华北平原89个钻孔的热响应试验数据,对地表以下200 m深度内岩土体的综合导热能力进行分析,并对影响综合热导率的因素进行了探讨。结果表明,华北地区综合热导率大部分处于1.50~2.16 W/(m·K)之间(25%<累积概率<75%)。在富水性较好、岩石颗粒粗、地下水径流速度较快的区域,地埋管换热器的换热效果明显高于富水性差、岩石颗粒细、地下水径流速度慢的地区。地层岩性、含水率特征和地下水径流条件是影响岩土体综合热导率的主要因素。其中200m深度以内不同地区岩土体的岩性组成各不相同、地下水位埋深不同,是造成综合热导率差异的重要影响因素,地下水径流对岩土体的综合导热能力有促进作用。用无量纲Peclet值(Pe)判断地下水流动对换热过程影响的大小,在0.28<Pe<0.84的情况下,Pe值增加47%,岩土体综合导热能力增加7.56%。

地下水对现场热响应试验换热量影响分析

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。

现场热响应试验测试数据对比及应用分析

勘查评价浅层地热能地质条件及换热能力是高效开发浅层地热能资源的关键基础,对高效、可持续利用浅层地热能起着举足轻重的作用。不同区域地质条件千差万别导致地下换热效果不同,目前现场热响应试验,是地埋管地源热泵系统区域调查评价和应用项目场地勘查中,采用的重要勘查手段。通过现场热响应试验获得地温场初始地温、岩土体的热物性参数,计算得出每个地埋孔的换热能力即换热功率,可为评价地埋管地源热泵系统适宜区域的浅层地热换热功率提供依据,指导地埋管地源热泵系统地下换热系统设计。本文主要对地层初始地温、不同测试功能测试所得数据,进行了对比及应用分析,对指导现场热响应试验的科学合理应用,具有重要的参考意义。

基于现场热响应测试方法的地下岩土热物性分析

目前获取导热系数的主要方法是现场热响应试验,但该方法缺乏统一的技术标准,导致计算结果可比较性差,难以应用。笔者开展了不同热响应试验设备的原位热物性测试系列试验,分析了测试与数据处理方法对测试结果的影响,探讨了试验过程中需要注意的问题。结果显示：为减少试验误差,两次热响应试验测试的时间间隔不应少于10d;应尽量避免循环水与岩土介质以外的其他介质产生热量交换;对于恒热流热响应试验,导热系数值与舍弃时间（1.0~12.0h）成正相关关系;而对于定进回循环水温差的热响应试验,导热系数值与舍弃时间（0.0~12.0h）成负相关关系;舍弃时间大于12.0h时,导热系数变化趋于稳定。按统一标准舍弃前12.0h的测试数据进行导热系数计算,6家单位的导热系数计算值都在2.2~2.8W/（m·℃）范围内,测试结果合理可靠。

基于实际工程的地埋管地源热泵回填材料导热性能差异分析

为研究实际工程应用中回填材料导热性能差异,以郑州市浅层地热能示范工程为研究对象,通过现场热响应试验、地温监测、数值模拟对中细砂、中细砂+水泥、中细砂+膨润土、原浆四种常见回填材料导热性能进行分析.研究结果表明:原浆的平均导热率最低为1.83 W/(m·℃),中细砂的平均导热率最大为2.17 W/(m·℃);同时中细砂排热和取热下单位深度换热量也为最大,分别为48.52 W/m和47.38 W/m.夏季制冷时中细砂+水泥材料温度仅升高0.0002℃,远低于中细砂材料温度升高;而冬季供暖时,四种材料的温度下降值相近,最小为4.2842℃.基于数值模拟结果,中细砂放热和吸热工况下热影响半径最小,为分别5.5 m和6 m;同时,岩土体温度增温速度由大到小为中细砂、原浆、中细砂+膨润土、中细砂+水泥.因此,中细砂导热性能最好,可作为研究区域地埋管地源热泵回填材料的首选.研究成果为场地条件相似地区地埋管地源热泵回填材料选择提供依据,并对推进郑州地区能源绿色低碳发展具有一定参考意义.

银川市地埋管换热器不同深度换热能力分析

结合银川市地层特征及地源热泵以冬季供暖为主的特点,为提高地埋管换热器的换热能力,保证系统冬季取热量与夏季排热量基本平衡,维持系统长期稳定运行,提出适当增加垂直地埋管钻孔深度的方案。对银川市某地埋管地源热泵项目2组不同深度试验孔进行现场热响应试验,得到岩土体地埋管深度范围内的初始平均温度、综合导热系数和单位孔深取热能力随钻孔深度增加而增加的结论。研究结果可为该地区地埋管地源热泵项目可行性研究、工程设计提供参考。

大石桥地区地源热泵地埋管换热器测试与计算研究

地埋管热泵运行效果的关键是地埋管换热效率,由于在不同地区的地下土壤与岩石的热物性的不同,使得地埋管换热器的换热效率在不同地区有较大差别,会直接影响地埋管热泵的实际运行效果和大幅度增加工程的造价。以线热源理论作为理论依据来对大石桥公安局业务技术用房项目进行岩土热响应测试并计算土壤的热物性参数。与此同时,改进了一种工程简化计算公式,公式综合考虑了岩土热物性和建筑冷热负荷以及地埋管铺设形式,用该简化的公式得出的地埋管换热器的长度与原有的计算公式得出的结果基本一致,该公式可以作为工程运用的依据。

黄河冲积平原(鲁西北)浅层岩土体综合热导率研究--以临清市为例

现场热响应试验测试是获取换热深度内岩土体综合热导率最直接的方法,能够快速、直观的体现岩土体换热能力。通过分析研究临清市钻探获取的地质、水文地质参数,结合热响应试验成果资料,分析在一定条件下岩土体综合热导率与初始地温、含水层厚度、渗流速度、地下水位埋深等相互关系,发现综合热导率与初始地温、含水层厚度、渗流速度正相关,与地下水位埋深反相关。在黄河冲积平原(鲁西北)地埋管地源热泵系统开发利用应选择初始地温较高、含水层厚度大(古河道带)、地下水位埋深浅、地下水径流条件好的区域。

南通市主城区浅层地热能热物性参数测试及资源量评价

岩土体热物理参数及地热资源量对于浅层地热能开发具有重要意义。为获取南通市主城区热物理参数及浅层地热能资源储量,在研究区内开展了10组现场热响应试验。以线热源理论为建模基础,结合相应地层数据和试验参数,概化出研究区地埋管热传导模型,采用体积法对南通市主城区浅层地热能资源作出定量评价。结果表明:研究区初始地层温度在18.36~20.16℃。在钻孔埋管深度范围内,岩土体的导热系数在1.35~1.88W/m·K,钻孔内传热热阻为0.123~0.125(m·K)/W,热扩散系数为(0.3208~3.3089)×10^(-6)m^(2)/s,热容量为(0.42~4.36)×10^(6)J/(m^(3)·K),单位延米换热量为30.88~69.33W/m。综上试验所得参数计算可知:区内每年可开发浅层地热能储量至少为2.20×10^(14)kJ。试验成果可为后续南通市主城区浅层地埋管地源热泵工程设计提供有力的数据与技术支撑。

水平地埋管土壤初始温度确定方法的实例分析

现场热响应试验是获取水平地埋管地源热泵换热器设计参数——土壤初始温度的常用方法,但由于现场热响应试验受时间、资金等条件所限,不能测得全年浅层土壤初始温度的变化情况。以杭州某水平地埋管地源热泵工程为例,通过理论分析计算其土壤初始温度,并用现场热响应试验成果验证。结果表明理论计算结果与现场热响应试验成果几乎相同,并通过理论计算获得了全年土壤初始温度的变化情况。

湖南省浅层地温能资源调查与评价

为了推动湖南省的浅层地温能开发,针对湖南省13个地级城市开展了地质、水文地质、地热地质勘察、钻探和相关实验,对浅层地温能的赋存条件、资源量、开发适宜性进行了调查评价。结果表明,湖南省平均大地热流值为59.31 mW/m^2,低于全国平均值。空间分布为南高北低、东高西低,中部为高低相间,局部有异常圈闭的区段,显示出复杂构造的影响。湘中南的瓦屋塘—白马山岩浆岩带和湘南姑婆山—金鸡岭—骑田岭—热水岩浆岩带热流密度大于80 mW/m^2。湖南省绝大部分地区适宜建设地埋管地源热泵系统。仅在常德、岳阳、益阳、株洲等松散岩类孔隙水的分布地区有地下水地源热泵适宜区。湖南省13个地级城市规划区浅层地温能总热容量为6.93×10^15 kJ/℃,冬季总换热功率为1.00×10^8 kW,夏季总换热功率为1.39×10^8 kW。建议湖南省发达地区尤其是长株潭城市群新建城区建设地埋管地源热泵系统,大力发展浅层地温能。

长沙浅层地热能资源调查与评价

浅层地热能属于清洁能源,其开发利用在我国处于起步阶段。基于大量的野外调查与试验,对长沙浅层地热能开发进行适宜性评价,估算了浅层地热能热容量、可利用资源量以及开发潜力,讨论了其经济、环境效益。实测长沙浅层地温梯度介于0.69℃/100 m^1.98℃/100m,平均为1.40℃/100 m。浅层地热能总热容量约3.34×1014k J/℃,可利用资源量达3.55×1014k J/a。研究区第四系松散岩类沉积物厚度较薄,对浅层地热能储量几乎没有影响。长沙适宜选择地埋管地源热泵系统开发浅层地热能,其适宜区面积占62.6%,较适宜区占33.9%。地埋管地源热泵系统冬、夏季换热功率分别为1.25×107和1.66×107k W,开发潜力分别为(4.22±0.31)×105m2/km2和(3.82±0.17)×105m2/km2。据估算,浅层地热能开发可为长沙节省标准煤1.21×107t/a,减少CO2排放约2.89×107t/a,并减轻大气污染。发展浅层地热能有利于实现节能减排目标,为长沙的可持续发展提供保障。

河北平原不同沉积层土壤热物性参数特征

河北平原地埋管式换热系统适宜区约占河北平原区面积的80％.在地埋管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.本文就河北平原不同沉积层即保定山前冲洪积层,衡水冲积、湖积层,曹妃甸滨海沉积层进行现场热响应试验,取得土壤的导热系数、论述其特征、分析影响因素,为地埋管式换热系统高效利用提供科学指导.