PDF《包气带浅层地热容量计算方法商榷》

第38卷第2期地质调查与研究Vol.

38 No.2 2015年06月GEOLOGICAL SURVEY AND RESEARCH Jun.

2015 包气带浅层地热容量计算方法商榷 王国良, 卢长军, 董卫宏, 王琴萍 (天津市地质调查研究院, 天津 300191) 摘要: 对浅层地热容量, 现行的 《浅层地热能勘查评价规范》 DZ/T 0225-2009推荐采用体积法进行计算, 笔者认为推 荐的包气带浅层地热容量计算公式有待商榷.本文尝试对其进行修改完善, 以提高浅层地温能计算的准确性. 关键词: 包气带;

浅层地热容量;

计算方法 中图分类号: P314.1 文献标识码: A 文章编号: 1672-4135 (2015) 02-0239-02 收稿日期: 2014-11-05 资助项目: 天津国土资源矿产资源补偿费项目 "天津市浅层地热资源调查 (国土房地热任字[2008]009号) " 作者简介: 王国良 (1971-) , 男, 高级工程师,

1996 年毕业于长春地质学院勘查工程系, 主要从事水工环地质调查研究工作. E-mail:zmgL2000@126.com. 浅层地热容量是实际应用中一个重要的技术参 数[1] , 其计算方法主要有体积法、 类比[2] 等.现行规范 《浅层地热能勘查评价规范》 DZ/T 0225-2009, 推荐采 用体积法进行计算.笔者认为其推荐的包气带浅层 地热容量计算公式有待商榷, 本文尝试了对计算方 法进行完善. 1规范推荐的计算方法及待完善之处 《浅层地热能勘查评价规范》 DZ/T 0225-2009, 资 料性附录A 计算方法: A.1浅层地热容量计算 采用体积法计算浅层地热容量, 应分别计算包 气带和饱水带中的单位温差储藏的热量, 然后合并 计算评价范围内地质体的储热性能. 在包气带中, 浅层地热容量按下式计算: 式中: QR―浅层地热容量, 单位为千焦每摄氏度 ( kJ/℃) ;

Qs―岩土体中的热容量, 单位为千焦每摄氏度 ( kJ/℃ ) ;

Qw―岩土体中所含水中的热容量, 单位为千 焦每摄氏度 (kJ/℃ ) ;

QA―岩土体中所含空气中的热 容量, 单位为千焦每摄氏度 (kJ/℃ ) ;

ρs―岩土体密度, 单位为千克每立方米 (kg/m3 ) ;

Cs―岩土体骨架的比 热容, 单位为千焦每千克每摄氏度[kJ/(kg ・ ℃)];

Φ ― 岩土体的孔隙率 (或裂隙率) ;

M―计算面积, 单位为 平方米 (m3 ) ;

d1 ―包气带厚度, 单位为米 (m) ;

ρw― 水密度, 单位为千克每立方米 (kg/m3 ) ;

CW―水比热 容, 单位为千焦每千克每摄氏度[kJ/(kg ・ ℃)];

w―岩 土体的含水量;

ρA―空气密度, 单位为千克每立方米 (kg/m3 ) ;

CA―空气比热容, 单位为千焦每千克每摄氏 度[kJ/(kg ・ ℃)]. 问题的关键在于, 公式A.3和A.4中, 计算岩土 体中所含水中的热容量、 岩土体中所含气中的热容 量不宜用含水量这个参数.根据 《工程地质手册》 第 四版[3] , 含水量的物理意义为土中水的质量与土粒质 量之比 : w = mw ms *

100 (1) 式中: mw―土中水的质量, 单位为kg;

ms―土粒 质量, 单位为kg. 公式A.3 的计算思路为: Q = c ? m ? ?t = c ? ρ ? v ?

1 = c ? ρ ? M ? d1 ?1...(s.1) 式中: Q―物质吸收或放出的热量;

C―物质的 比热容;

m―物质的质量;

?t―温度差, 此处为单位温 差故取值为 1;

ρ―物质的密度;

M―计算面积;

d1 ―计 算厚度. 利用公式 (s.1) 计算岩土体中含水地热容量, 规 范附录A中公式A.3置换为: Qw = CW ?ρw?M?d1 ? w?1, 而ρw? M ? d1 ? w不是所要计算的岩土体中所含水的质 量, 因为ρw? M ? d1 不是土粒质量.与式 (1) 进行相乘 QR = Qs + Qw + QA.A.1) Qs = ρs? Cs? (1 - Φ)? M? d1 A.2) Qw = ρW ? CW ? w ? M? d1 A.3) QA = ρA? CA? (Φ - w)? M ? d1 .....(A.4)

240 地质调查与研究第38卷 计算不能得到岩土体中所含水的质量.因而公式 A.3: Qw = CW ?ρw?M?d1 ? w?1不能正确计算出岩土体中 所含水的地热容量. 与此同理, 公式 ( s.1 ) 计算岩土体所含气的地热容 量,规范中公式A.4置换为 QA = CA?ρA?M?d1 ?( ) Φ - w ?1 (2) 根据 《工程地质手册》 第四版, 岩土体的孔隙率 物理意义为土中孔隙体积与土的总体积之比.表达 式为n = vv v *

100 = 土中孔隙体积 土的总体积 . 规范中用Φ表示孔隙率. 用()Φ-w=(土中孔隙体积 土的总体积 *

100 - mw ms * 100) 不能计算出空气占岩土体孔隙中的体积比例. 那么M?d1 ?( ) Φ - w 就不是岩土体所含气体的体积. 规范中公式A.4 式(2) 不能正确计算出岩土体所含气 的地热容量. 综上所述, 规范推荐的公式A.3和A.4, 应用孔隙 率和含水量参数进行相应的计算, 尚需完善.

2 尝试对计算方法完善 采用体积法计算浅层地热容量, 计算思路不变, 调整相应参数, 可以完善计算公式.计算思路仍然 为: Q = c ? m ? ?t = c ? ρ ? v ?1 = c ?ρ ?M ?d1 ? 1..... (S.1) 将规范中的公式A.3 完善为: 式中: n―岩土体孔隙率 (或裂隙率) ;

sr ―饱和 度;

其他字母含义同原规范. 根据 《工程地质手册》 第四版, 饱和度物理意义 为土中水的体积与土中孔隙体积之比, 表达式为: sr = vw vv *

100 = 土中水的体积 土中孔隙体积 所以, M? d1 ? n ? sr计算所得为岩土体中所含水的体 积.Qw = CW ?ρw?M?d1 ?n?sr计算所得为岩土体中所含 水中的热容量. 同理, 将规范中的公式A.4 完善为: 式中: n―岩土体孔隙率 (或裂隙率) ;

sr―饱和 度;

其他字母含义同原规范. 公式 (s.3) 中, M ? d1 ? n ?( )

1 - sr 计算所得为岩土 体所含气的体积, QA = CA?ρA?M ? d1 ? n? ( )

1 - sr 计算 所得为岩土体所含气中的热容量.

3 结论与建议 以上对规范计算公式的完善修改, 采用体积法 计算浅层地热容量, 计算思路不变, 调整了相应参 数.笔者认为本次完善修改的计算方法更为准确 合理, 希望广大业界同仁不吝赐教, 共同探讨, 逐步 完善包气带浅层地热容量的计算方法, 使现行 《浅 层地热能勘查评价规范》 DZ/T 0225-2009 更加完善 和提高. 参考文献: [1] 刘雪松, 王亚斌, 郭淑娟, 等.天津市浅层地热资源调查报 告[R].天津市地质调查研究院, 2009. [2] 卫万顺, 李宁波, 冉伟彦, 等.中国浅层地温能资源[M].北京, 中国大地出版社, 2010. [3] 常士骠, 张苏民. 《工程地质手册》 第四版[M].北京, 中国建 筑工业出版社, 2007. Qw = ρw? CW ? w ? M ?d1 .....(A.3) Qw = CW ? ρw? M ? d1 ? n ?sr.s.2) QA = ρA? CA? ( ) Φ - w ? M ? d1 (A.4) Developing the Computing Method about Shallow Geothermal Capacity from Vadose Zone WANG Guo-liang, LU Chang-jun, DONG Wei-hong, WANG Qing-ping (Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191, China) Abstract:It is necessary that developing the computing method about shallow geothermal energy from vadose zone, and this method is recommended by 《Specification for shallow geothermal energy investigation and evalua- tion》 DZ/T 0225-2009. Now we are trying to develop it in this paper. Key words: vadose zone;

shallow;

geothermal capacity;

calculation method QA = CA?ρA?M?d1 ?n?( )

1 - sr (s.3)