管内流动流体某断面平均温度按（　　）计算。

管内流动流体某断面平均温度按（）计算。

A、对数平均温度

B、算数平均温度

C、焓值

D、质量

参考答案:

【正确答案：C】

管内流动流体某断面平均温度按与焓关系：，故管内流动流体某断面平均温度按焓值计算。

参数确定

此次资源量计算所涉及的参数采用如下方法取得：

一、储存量计算参数的确定

1）评价区面积（M）：为适宜浅层地热能开发利用的面积，包括水源热泵适宜区和地埋管适宜区。

2）利用温差（ΔT）：根据实际工程调研成果，综合确定为5℃。

3）水的密度（ρW）与比热容（Cw）、空气的密度（ρA）与比热容（CA）：均按常量选取。

4）包气带厚度（d1）：以此次调查成果为主，结合收集资料综合确定。

5）地下水面至计算下限的岩土体厚度d2：根据已有资料综合研究，确定200m以浅松散土体底界，作为储存量计算下限，其土体总厚度减去包气带厚度即为d2。

6）岩土体密度（ρs）、比热容（Cs）、孔隙率φ、含水量ω：首先根据此次试验成果（表7-1），结合《浅层地热能勘查评价规范》确定各单层土体参数，再根据垂向土体结构组合特征进行加权平均，确定计算深度的平均参数。

此次研究在郑州市高新区选取了不同深度的不同土样进行测试，测试内容为土样的热物理参数，主要包括岩土体的比热容、密度、含水量、导热系数和导温系数等，由南京大学地球科学与工程学院完成。具体测试结果见表7-1。

表7-1 土样热物理参数结果表

最终确定储存量各计算参数见表7-2。

二、地下水源热泵适宜区可利用量计算参数的确定

1）单井出水量（qw）：根据不同水文地质单元的富水性选取。

2）地下水利用温差（△T）：根据实地调查地下水源热泵应用情况综合确定，取平均值，即夏季利用温差取7℃；冬季利用温差取5℃。

3）水的密度（ρW）与比热容（Cw）取常量。

表7-2 储存量计算参数取值表

4）评价区面积（M）：为地下水源热泵适宜区面积。

5）最佳井距（d）：这里所说的最佳井间距指一抽两灌布井方式的最佳井间距。此次采用数值模拟法、抽灌试验、现状调研等综合确定。最佳井间距的确定标准是：水源热泵系统运行期内，抽水井温度变化不超过利用温差的20%，即系统的效率损失不超过20%。

6）单位面积可布井对（N）：按1抽2回方式，根据最佳井间距计算单位面积内可布设井对数量。

7）系统运行时间（t）：根据研究区实际工程运行情况，制冷期和采暖期各取120d。

具体以郑州市为例计算如下。

1.数值模拟法确定最佳井间距

郑州市的水文地质单元主要分为黄河冲积平原和塬前冲洪积平原，因此选取这两个水文地质单元的典型剖面，构建水文地质概念模型和数学模拟模型，利用HST3D软件模拟确定这两个水文地质单元上1抽2灌系统的最佳井间距。

（1）黄河冲积平原

黄河冲积平原的岩性一般为粉砂到粗砂、局部夹砾石，含水层主要由多层粉砂、细砂层构成，含水层之间由粉土及粉质黏土隔开。单井出水量一般为1000～3000m3/d。该水文地质单元内的剖面岩性分层如表7-3所示。

表7-3 典型水文地质剖面岩性分层 m

根据上述地层结构，构建一抽两灌系统的模拟模型。参照单井出水量，模拟中抽灌量取2000m3/d，采用等温差回灌，提取温差夏季为7℃，冬季为5℃。模拟周期为3a。各岩性的水文地质参数及热物理参数取值参照经验值。分别模拟了井间距为20m、40m、60m、80m、100m和120m共6种情况，模拟结果如图7-1所示。

由图中可以看出，当井间距为60m时，整个运行周期内抽水井的温度变化很小，已趋于平缓。图7-2给出了整个运行周期内抽水井温度与初始温度的最大温差，从图中可以看出，当抽水井与回灌井间的距离为50m时，两者之间的最大温差不超过1℃。因此对于给定的抽、灌量和提取温差条件下，黄河冲积平原上一抽两灌系统的最佳井间距为50m。

（2）塬前冲洪积平原

塬前冲洪积平原的主要岩性为细砂、中细砂及黏土，含水层由多层砂层组成，单井出水量一般为1000～3000m3/d。该水文地质单元内的典型钻孔结构如表7-4所示。

图7-1 抽水井温度随时间的变化

图7-2 抽水井温度与初始温度的最大温差

表7-4 典型水文地质剖面岩性分层 m

根据上述地层结构，构建一抽两灌系统的模拟模型。参照单井出水量，模拟中抽、灌量取1200m3/d，采用等温差回灌，提取温差夏季为7℃，冬季为5℃。模拟周期为3a。各岩性的水文地质参数及热物理参数取值参照经验值。分别模拟了井间距为20m、40m、60m、80m、100m和120m共6种情况，模拟结果如图7-1所示。由图中可以看出，当井间距为60m时，整个运行周期内抽水井的温度变化已经很小，趋于平缓。图7-2给出了整个运行周期内抽水井温度与初始温度的最大温差，从图中可以看出，当抽水井与回灌井间的距离为50m时，两者之间的最大温差不超过1℃。因此对于给定的抽、灌量和提取温差条件下，塬前冲积平原上1抽2灌系统的最佳井间距为50m。

2.抽灌试验法确定最佳井间距

根据此次抽灌试验研究成果，在细颗粒的砂层含水层中，抽、灌井间距不宜小于40m，粗颗粒的卵砾石含水层中，间距不宜小于80m（详见第四章第一节试验成果部分）。

3.现状调研确定最佳井间距

现状调研主要是针对已建工程的具体情况和应用效果进行调查。根据对部分地温空调用户的调查，本区砂层含水层地区，地下水源热泵地温空调用户抽、灌井间距多在15～30m之间，卵砾石含水层地区用户抽、灌井间距多在70m以上。实际运行过程中，抽、灌井间距小于30m的用户，多数回灌井对抽水井影响明显，特别是部分井间距小于15m的抽、灌井影响很大。如新乡市某宾馆的抽、灌井间距约12m，运行过程中，回灌井水温很短时间就影响到了抽水井，使得抽、灌井温度接近，影响了节能效果。结合实际应用情况和城市场地条件限制，确定含水砂层地区抽、灌井间距一般不小于50m，砂层颗粒较细时不小于30m；卵砾石地层井间距不小于70m。

根据上述确定此次研究区最佳井间距为：砂层地区50m左右，卵砾石地区70m。

最终确定地下水源热泵适宜区可利用量计算参数见表7-5。

表7-5 地下水源热泵适宜区可利用量计算参数取值表

三、地埋管适宜区换热功率计算参数的确定

1）地埋管材料的热导率（λ1）：引用浅层地热能勘查评价规范数据，取0.42W/m·℃。

2）换热孔中回填料的热导率（λ2）：参考浅层地热能勘查评价规范及已有文献资料，综合确定，取0.56W/m·℃。

3）换热孔周围岩土体的平均热导率（λ3）：首先根据此次试验成果（表7-1），结合《浅层地热能勘查评价规范》确定各单层土体热导率，再根据垂向土体结构组合特征进行加权平均，确定换热孔周围岩土体的平均热导率。

4）地埋管换热器长度（L）：均按单U管计算，为各计算区恒温层至计算下限深度的2倍。

表7-6 地埋管适宜区换热功率计算参数取值表

5）地埋管束的等效半径（r1）：引用地源热泵系统工程技术规范（GB 50366—2005）中PE100型管材规格参数（外径为0.032m，壁厚为0.003m），参照浅层地热能勘查评价规范，取单U管内径的 倍，为0.041m。

6）地埋管束的等效外径（r2）：等效半径r.加壁厚，取0.044m。

7）换热孔平均半径（r3）：按经验值，取0.1m。

8）换热温度影响半径（r4）：按经验值，结合本区地温空调运行时间，取5m。

9）地埋管内流体的平均温度（t1）：参考热泵技术要求，结合此次研究区地下水温度情况，夏季取32℃，冬季取10℃。

10）温度影响之外岩土体的温度（t4）为：根据计算地区的恒温带温度、恒温带深度、计算深度与地温梯度。计算公式为T=G/100×（S-SO）/2+TO

式中G为地温梯度，单位为℃/100m；S为浅层地温场底界深度，单位为m；S0为恒温带深度，单位为m；T0为恒温带温度，单位为℃。

详见第三章“浅层地温场特征”部分。

最终确定地埋管适宜区换热功率计算参数见表7-6。

现场换热测试相关参数的确定

(一)现场换热测试技术要求

2005年11月30日，中华人民共和国建设部发布了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366－2005)(以下简称《规范》)。为了使《规范》更加完善合理，统一规范岩土热响应试验方法，正确指导地埋管地源热泵系统的设计和应用，2008年，中华人民共和国建设部组织相关单位对该国标进行了局部修订，并于2009年3月批准了对该规范的局部修订(自2009年6月1日起实施)。局部修订部分指出了在什么情况下必须要进行热响应试验规定了热响应试验的方法和测试结果的用途。目前测试方法技术的规定需参照该《规范》附录C的要求。

(二)平均热导率的确定

1.计算方法

在平均导热系数确定的简化分析模型中引进如下假设:①钻孔周围是均匀的(模拟所需是平均参数)②埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热，沿长度方向的传热量忽略不计③埋管与周围岩土的换热强度维持不变(可以通过控制加热功率实现)。

根据上述假设，由换热器与其周围岩土体的换热方程可确定管内流体平均温度与深层岩土体的初始温度之间的关系可表达为

浅层地温能资源评价

式中:

db———钻孔直径(m)

cs———岩土的比热容(J/(kg·℃))

ks———周围岩土的导热系数(W/(m·℃))

ql———单位长度线热源热流强度(W/m)

R0———单位长度钻孔内的总热阻(℃/W)

Tf———埋管内流体平均温度(℃)

Tff———无穷远处岩土体温度(℃)

ρs———岩土的密度(kg/m3)

t———时间(s)。

在以上简化模型中有三个未知参数ks，R0和ρscs。其中ρscs可以通过土样分析测试及选取经验数据进行加权平均计算而得，ks和R0可以利用传热反演求解结合最优化方法同时确定。根据换热量现场测试，测量回路中水的温度及其所对应的时间，根据已知的数据反推钻孔周围岩土体的导热系数ks和钻孔内热阻R0。将通过传热模型得到的流体平均温度与实际测量的结果进行对比，通过调整传热模型中周围岩土体的导热系数和钻孔内热阻，当计算得到的结果与实测的结果误差最小时，对应的导热系数值即所求的结果。方差和(f)的最小值可以通过最优化技术求得。

2.计算实例

以星湖园换热量现场测试为例，钻孔孔径为150mm，地下岩土体原始温度为13.5℃，加热功率为60W/m。按以上方法测得钻孔深度范围内岩土体的综合导热系数kp为2.45W/(m·℃)，正反演拟合曲线标绘在图10－14中。对比理论与实测结果，二者吻合较好，说明简化传热模型用于现场测量深层岩土导热系数是可行的。

图10－14 星湖园正反演拟合成果图

依此方法根据森林公园、北京市地质勘察技术院(简称勘技院)基地内、国航飞行模拟训练基地(简称国航)、用友软件园(简称用友)的换热量现场测试结果，计算对应的钻孔深度范围内岩土体的平均导热系数。其正反演拟合结果见图10－15～图10－18。

通过上述正反演拟合计算，五处换热量现场测试地点的岩土体平均导热系数见表10－8。

3.成果分析

综合比较五处不同地点的平均导热系数可以发现，森林公园值最大，勘技院次之，星湖园、用友、国航三处值最小。对比五个地区的地质、水文地质条件可知，森林公园富水性相对较好，岩性颗粒粗，地下水径流速度快，是五个地区中地热地质条件最好的地区，因此其平均导热系数最大，换热效果最好勘技院所处的东小口地区位于永定河冲洪积扇和南口冲洪积扇的交界处，是五个地区中地热地质条件较好的地区，因此其平均导热系数较大，换热效果较好国航所处的后沙峪地区、用友所处的永丰地区和星湖园所处的台湖地区三处虽然地处不同的水文地质单元，但三者均位于冲洪积扇的下部，岩土层颗粒细，地下水径流速度慢，因此这三处的平均导热系数较小，换热效果相对较差。

图10－15 森林公园正反演拟合成果图

图10－16 勘技院正反演拟合成果图

图10－17 国航正反演拟合成果图

表10－8 平均导热系数一览表

图10－18 用友正反演拟合成果图

(三)地埋管温度场影响范围的确定

利用Fluent软件模拟地埋管温度场的影响范围，校核示范区换热孔5m间距的合理性。利用Fluent软件以工区地质、水文地质参数及热力学参数为基础，模拟单孔、三孔、五孔在一个制冷季温度场的变化情况，模拟五孔在一个供暖季的温度场的变化情况，Flu-ent模型的边界条件设置为常壁温，岩土体初始温度定为14.2℃，岩土体平均导热系数为1.90W/(m·℃)。每延米排热量取62W，每延米取热量取43W，布孔间距5m。

下面模拟五孔(孔深120m，相邻孔间距5m)在一个自然年份的温度场变化情况，即先是制冷季(每天8h，运行120d)，然后是60d恢复期，接着是取暖季(每天8h，运行120d)，最后仍是60d的恢复期，经历了一个自然年后换热孔周围的温度场变化情况见图10－19～图10－21。

图10－19 五个孔经过一个水文年后岩土体温度场图

图10－20 距中心孔的中心0.1～4.5m温度(K)随时间(h)的变化图

图10－21 五个孔在一个水文年内岩土体平均温度场变化曲线图

由图10－20中可以看出，在经历了一个自然年后，距离中心孔中心1.0～2.4m处的温度已经恢复到岩土体的原始温度。说明当换热孔每延米排热量62W，取热量43W，在经历一个自然年后岩土体是可以恢复到原始温度的。在图10－21中，模拟区在一个水文年内岩土体的平均温度场最大变化幅度为1℃左右，在年末基本恢复到原始温度。

为了直观地表现出两个相邻换热孔在排热过程中，距换热孔不同距离温度的变化以及相互间影响情况，将上述模拟工况下120d排热后的结果利用Tecplot后处理软件处理结果演示见图10－22。

由图10－22可以看出，当两个间距为5m的换热孔在连续排热工况下，随时间的推移，换热孔周边岩土体的温度逐渐升高。位于两个换热孔中间的位置在排热30d时，温度基本没有升高在排热60d时，温度升高约0.3℃在排热90d时，温度升高约0.7℃在排热120d时，温度升高约1.1℃。这说明系统在整个制冷季(连续排热工况下)，5m间距的换热孔是会产生温度场的叠加的，但1.1℃的温差变化不会对单孔的换热量产生明显影响，5m的换热孔间距是基本合理的。

图10－22 距换热孔不同距离温度(K)随时间(h)的变化图