山东菏泽地层导热性DTRT测试与评价

作     者：海那尔·别克吐尔逊 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施斌

授予年度：2018年

学科分类：070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：浅层地热能 DTRT 地源热泵 导热系数 渗流 

摘      要：岩土体的导热系数是开发和利用浅层地热能的重要参数,热响应测试(Thermal Response Test,TRT)是确定地下岩土体导热系数和钻孔热阻抗等热性能参数常用的方法。论文以山东菏泽的地温场为研究对象,采用DTS技术开展了钻孔热响应试验(Distributed Thermal Response Test,DTRT);利用测温光缆对现场单U型和双U型地埋管加热或冷却过程的钻孔温度进行了分布式测定,准确测试了该地区的初始地温场;计算出了每一个地层的导热系数;将DTS技术与GeoStudio有限元计算方法相结合,确定了换能管所产生的温度扰动范围;并通过多层土热响应室内模型试验,连续测得了钻孔剖面四种土层有效导热系数的分布和大小,分析了渗流对土层有效导热系数的影响;基于现场DTRT试验数据分别从制冷和制热、换能时间、地埋管选型、光缆的布设等几个方面展开讨论,并根据文献综述和数值模拟结果分析了钻孔回填材料和渗流的影响,获得了一些新的认识。论文的主要研究成果总结如下:(1)针对地温场常规换能管测试方法的不足,论文采用了分布式光纤测温系统(Distributed Temperature Sensing,DTS),实现了钻孔地温剖面连续监测;(2)菏泽地区的地层中,最上部0-6.8 m深度范围内粉质粘土层由于受空气对流及水分蒸发影响,加热过程导热系数较大,冷却过程与其他同类型地层无明显差异;39 m-41 m深度范围粉砂层受渗流影响,在加热和冷却过程导热系数都比其它地层大;(3)在DTRT试验中,双U型地埋管比单U型地埋管所获得的地层导热系数更接近真实值,建议在以后地源热泵的设计中用双U型地埋管获得的数据;(4)有限元计算结果表明:本次换能试验中的温度扰动半径为1.2 m,若要在换能主孔周围单独设置观测孔,距主孔的距离在0.5 m-1.2 m之间为宜;(5)利用DTRT实测温度直接拟合计算得到的地层导热系数更加接近真实值,而利用数值法进行模拟计算时,因无法考虑各界面的热阻抗,导致所得的地层导热系数偏大;(6)在多层土热响应室内模型试验中,利用DTS技术测定土层有效导热系数具有明显的优势,可连续分布式测定多层土的有效导热系数;在模拟钻孔换能试验中,受到地下水渗流和有机质的影响,渗流土层区和有机质土层区的有效导热系数变化比较显著,地下水流动使地温降低,有机质的氧化使地温升高;DTS实测数据和数值模拟结果均表明不同成分的工具有不同的有效导热系数,且存在以下规律:有渗流砂土无渗流砂土粉土粘土有机质土;(7)在DTRT试验中,加热和制冷工况DTS所测得的温度时程曲线与热响应仪测得的进出口平均温度具有非常好的一致性;(8)测试时间与有效时间段取舍的不同,会影响岩土体导热系数的计算结果。延长加热时间可减小导热系数的测试误差。对一般的地温场测试而言,48h的加热时间即可满足要求;(9)在换能设备的加热总功率相同的情况下,DTRT试验中双U型地埋管管壁所测温度都比单U型地埋管管壁所测温度低,其原因是双U型地埋管与周围土层的接触面积更大,更符合线性热源热传导特征;DTRT试验中,安装于换能管内侧管壁的光缆,其温度值要比安装在监测管外壁光缆的监测数据略高,建议在今后选择监测管外壁光缆的数据更可靠;(10)钻孔半径及回填材料对测试结果的影响可用热阻抗来评价。文献综述和数值模拟结果均表明:换热钻孔孔径越小,对传热越有利。渗流对地源热泵换能效率的影响非常显著,不论是文献中的结果还是论文中的室内模型试验和现场试验都验证了这一点。