浅层岩土体原位热响应测试_工程实践

摘要

摘要：介绍了岩土体原位热响应测试仪的结构及测试原理，建立了基于线热源模型的热物性参数计算模型。结合工程实例，进行了岩土体初始平均温度测试、地埋管热响应测试。拟合流体平

摘要：介绍了岩土体原位热响应测试仪的结构及测试原理，建立了基于线热源模型的热物性参数计算模型。结合工程实例，进行了岩土体初始平均温度测试、地埋管热响应测试。拟合流体平均温度与时间对数的关系曲线，求得了岩土体的热导率、钻孔热阻。

关键词：热响应测试；热物性参数；岩土体；线热源模型；土壤源热泵；地源热泵

In-situ Thermal Response Test of Shallow Soil and Rock

NIU Dinghui，YANG Xiankang，RUAN Ga0，CHEN Xing

Abstract：The structure and measurement principle of in-situ thermal response tester of shallow soil and roek are introduced.The model for calculation of thermophysical parameters based on the line heat source model is established.The initial average temperature test of soil and rock as well as the thermal response test of buried pipe are performed with an engineering example.The thermal conductivity of soil and rock and the thermal resistanee of boreholes are obtained by fitting the relation curve between average fluid temperature and time logarithm.

Key words：thermal response test；thermophysical parameter；soil and rock；line heat source model；soil source heat pump；ground source heat pump

1 概述

随着大量消耗化石燃料带来了严重的环境污染，具有节能、环保特点的地源热泵技术得到了迅速发展^[1～2]。其中的土壤源热泵技术以其温度稳定、对周围环境影响较小、适用范围广等优点，受到越来越多的重视。

在对土壤源热泵系统进行设计时，需要知道岩土体的热物性参数。如果得到的热物性参数不准确，则可能导致地下热交换系统设计规模太小，达不到需要的空调负荷；也可能导致系统设计规模太大，加大了造价。因此需要准确地测定岩土体的热物性参数，主要包括热导率和热阻，从而计算地层的传热性能，合理设计地下热交换系统^[3]。原位热响应试验的目的在于获得岩土体的综合热物性参数，了解岩土体的换热能力，为土壤源热泵系统的设计提供基础数据，以保障系统长期高效运行与节能。

2 测试仪结构及测试原理

目前的测试装置均是以扰动-响应的方式来推算地下的换热情况和岩土体热物性参数。本次试验的测试装置是中国地质大学(武汉)工程学院研制的GP系列测试仪(GP-2)，测试仪外观见图1，测试仪结构及测试原理见图2。GP-2测试仪的测试原理：在钻孔中埋设U型管并回填^[4]，使U型管与测试仪管路连接，形成一个闭合回路。在循环水泵的作用下，水通过电加热器加热升温后进入U型管，将热量传递给周围的岩土体，最后流回到测试仪中。通过测试，获得U型管的进、出水温度和流量，用以计算岩土体的热物性参数。

3 热物性参数计算模型

参考相关文献^[5～6]，测试数据采用线热源模型进行处理，因为其简单且具有足够的精度^[1]。在使用该模型时作如下假设：

① 埋管周围岩土体中热量的传递只沿水平方向而忽略深度方向^[7]。

② 埋管内的流体在轴向不发生热量传递，传递只发生在径向。

③ 岩土体被看作初始温度均匀的半无限大介质。

④ 岩土体的热物性均匀，且不随温度变化。

⑤ 忽略岩土体内水分迁移带来的影响。

⑥ 地表温度保持不变，恒等于无穷远处的温度，即岩土体初始温度。

⑦ 埋管与周围岩土体的热流密度维持不变(可以通过控制加热功率实现)。

根据线热源理论，埋管内流体的平均温度计算式为：

式中T_f——埋管内流体的平均温度(取进水与出水温度的平均值)，K

Φ——电加热管的加热功率，W

λ——岩土体的热导率，W/(m·K)

H——钻孔深度，m

t——系统运行的时间，s

a——岩土体热扩散率，m²/s

r_b——钻孔半径，m

γ——欧拉常数，为0.5772

R_b——钻孔热阻，m·K/W

T₀——岩土体的初始温度，K

式中ρ——土壤密度，取1800kg/m³

c——土壤比热容，取1200J/(kg·K)

加热功率恒定时，式(1)可简写为线性形式，即：

利用测试数据绘出T_f随㏑t的变化曲线，求得曲线斜率m、截距b，根据式(2)、(4)、(5)求出岩土体热导率λ和钻孔热阻R_b。

4 测试与计算实例

以山西省长治县经济适用住宅小区土壤源热泵工程为例，于2010年8月15日—19日分别对1口单U型管井和1口双U型管井进行了连续48h的热响应测试。测试小区地层上部为松散第四系，深度方向100m以内以素填土和粘土为主，下部为基岩，包括粉质砂岩、粉质泥岩以及风化泥岩。埋管采用PE管，外直径为32mm，内直径为26mm。测试井参数见表1。

表1 测试井参数

测试井	埋管深度/m	钻孔直径/mm	回填材料	加热功率/W	流量/(L·h^-1)
单U型管井	100	108	黄沙	3300	800
双U型管井	100	108	黄沙	6890	1300

① 岩土体初始平均温度测试

在进行热响应试验之前，使流量为2300L/h的水在闭合回路中循环30～50min，此时电加热器关闭，测试这段时间内的进、出水温度。待进、出水温度稳定后，取进、出水温度的平均值作为岩土体的初始平均温度。测得的单U型管井和双u型管井的进、出水温度见图3。由此可以确定试验时岩土体的初始平均温度为14.61℃。

② 地埋管热响应测试

对单U型管井和双U型管井均进行了热响应测试。测试时保持每口井的加热功率和供水流量稳定，分别记录48h的进、出水温度。进、出水温度的时间响应曲线见图4。由图4可知，经过一段时间后，地埋管的进、出水温差基本稳定，表明地下换热已基本达到了平衡。此时计算得单、双U型管的平均换热量分别为47.59、86.44W/m。

③ 岩土体热导率、钻孔热阻的计算

待地埋管进、出水温差稳定后，拟合其平均温度T_f与时间对数㏑t的关系曲线，见图5。单U型管井拟合曲线公式为T_f=1.866 8㏑t+4.0142，双U型管井拟合曲线公式为T_f=3.1964㏑t-5.5206，可得拟合曲线的斜率和截距。

由式(4)计算得到单、双u型管井的岩土体热导率分别为2.030、2.152W/(m·K)，双U型管井的岩土体热导率比单U型管井增大了约6%。由此可见，埋深相同时，双U型管井的岩土体热导率高，且换热面积大，与岩土体换热更充分，换热效果更理想。计算可得测试小区岩土体平均热导率为2.091W/(m·K)，与该地区的热导率经验值1.9W/(m·K)比较吻合。

由式(2)、(5)计算得到单、双U型管井的钻孔热阻，进而得到测试小区的平均钻孔热阻R_b=0.074m·K/W。

5 结论

① 根据线热源模型，计算得到测试小区岩土体的平均热导率为2.091W/(m·K)，与经验值1.9W/(m·K)比较接近，可知该测试仪系统具有一定的精度，可以为设计提供参考。

② 双U型管井的岩土体热导率大，且双U型管换热面积大，换热更充分，因此相同埋深的双U型管换热能力优于单U型管。

③ 通过岩土体热响应测试，较准确地测定了岩土体的热物性参数，为合理设计地下热交换系统提供了基础数据。

参考文献：

[1] 乔卫来，陈九法，薛琴，等.地埋管热响应测试及数据分析方法[J].流体机械，2010，38(6)：60-63.

[2] 柳晓雷，王德林，方肇洪.垂直埋管地源热泵的圆柱面传热模型及简化计算[J].山东建筑工程学院学报，2001，16(1)：47-51.

[3] CANE R D，FORGAS D A.Modeling of ground-source heat pump performance[J].ASHRAE Transaction，1991，97(1)：909-925.

[4] 于明志，方肇洪.现场测量深层岩土热物性方法[J].工程热物理学报，2002，23(3)：354-356.

[5] 常桂钦，廖全，彭清元，等.土壤源热泵岩土热物性测试的参数分析[J].煤气与热力，2011，31(5)：A05-A10.

[6] 胡平放，孙启明，於仲义，等.地源热泵地埋管换热量与岩土热物性的测试[J].煤气与热力，2008，28(8)：A01-A04.

[7] 段征强，赵军，宋德坤.土壤热导率测试系统研究[J].煤气与热力，2006，26(11)：45-47.

(本文作者：牛定辉杨先亢阮高陈星中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉 430074)