１００ 低温建筑技术 ２０１０年第７期（总第１４５期） 浅层岩土热物性参数测试与分析 李强 （上海岩土工程勘察设计研究院有限公司． 上海２０００３１） 【摘要】介绍了浅层岩土热物性参数测试的计算模型、测试方法等。以线热源模型为基础，采用斜率法计 算导热系数，按照室内试验及工程经验选取容积比热容，从而求得热阻，通过实例验证了该方法的准确性。现场 实测表明热干扰距离的研究难以通过单孔热响应测试获得，可按已有研究成果选取。 【关键词】热响应测试；线热源模型；岩土热物性参数 【中图分类号】ＴＵ４５２ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】 １００１—６８６４（２０１０）０７—０１００—０２ 岩土导热系数等热物性参数是地埋管地源热泵系统中 设计埋地换热器的重要依据。如果岩土导热系数不准确， 则设计的系统可能无法满足负荷要求，也可能导致规模过 大，增加初投资。… 确定岩土热物性参数的方法有三种：一是，根据地层的 岩性及物理性质指标查阅相关手册，不足之处在于经验范 围较大，取值偏于保守，易造成资源浪费。二是，取土样进 罔日圉日 日国日圉日 行室内试验，由于土样脱离了原位的地质环境，不能反映实 际土层特性。三是，原位测试法（热响应测试等），克服了以 成井采用ＳＨ一３０钻机，预成孑Ｌ后采用扩孔钻具将孔径 上两种方法的不足，给出了实际钻孔深度内土层的热物性 扩至１３０ｍｍ。用人力和专用工具把ＰＥ管下至孔底，竖直地 特征，在实际应用中更为准确可靠。 埋管下管前及下管后，按规范要求，均需进行水压测试，以检 １ 计算模型 测地埋管是否完好 Ｊ。同时，地埋管沉管应在有压状态下进 目前计算埋地换热器与周围土壤换热较为成熟的模型 行。地埋管内加压充填的介质采用自来水。待地埋管沉管完 有线热源模型和圆柱热源模型。圆柱热源模型需要埋管的 成及水压测试满足要求后，即可进行测试井回填，本次回填主 具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材 要采用膨润土加水泥混合物孔底压浆封填，上部采用黄沙人 料的物性等参数。鉴于测量的困难和钻孑Ｌ内埋管埋设的不 工回填。为充分消除钻孔施工对周围岩土的影响，获得稳定、 确定性，这些参数的误差均较大，影响最终物性结果的可靠 准确的地下岩土初始温度及岩土热物性参数等，本次地埋管 性。故工程实践中以线热源模型应用最多。 ３ 换热井成井均在静置７２ｈ后进行测试工作。 假定钻井处于不受热扰动影响的温度场内，且经过一 试验前对温度传感器和流量计进行校正。模拟夏季放 定的时间，可得到钻井散出的热量的热扩散率，则可用简化 热试验时，采用恒热流法热响应测试，通过控制加热量及水 了的线热源公式计算土壤导热系数，通过测量温度、流量进 流量，保持加热功率恒定，使系统达到基本稳定后的温度控 行反向推算土壤传热性能。其基本原理如下： 制在３５～３７℃左右，控制流速在０．５～０．７ｍ／ｓ，连续测试时 （ｒ，ｔ）＝４ｑｒ ＡＨｆｉ２ ｕ＝ ［毛］（１） 间不少于４８ｈ。 流体温度随时问变化的函数式可以写为： ３测试成果 ）＝４－ 地埋管换热性测试概况 丌Ｑ－ －Ｉｌｎ ＋静 ＋ （２） 表１通过计算温度与自然对数时间曲线的斜率可以得到温 度的响应规律： （￡）＝ｋ・Ｉｎ（￡）＋ｍ （３） ｋ＝Ｑ／４ｃｒＡＨ （４） 式中， 为管内水的平均温度，℃； ，为钻孔壁面温度， 工程所在场地在自然地面下４２ｍ深度范围内的地基土 ℃； 为岩土初始温度，℃；ｒ为钻井半径，ｍ； 为钻井深度， 主要由填土、粘质粉土、淤泥质粘土、粉质粘土夹粉砂及粉 ｉｎ；Ｒｂ为热阻，１１１・Ｋ／Ｗ；ｔ为测试时间，ｓ；Ｑ为换热功率，Ｗ；ａ 砂组成。测试概况如表１所示。共有二个测试孔，均采用双 为热扩散率，ｉｎ ／ｓ，为导热系数与容积比热容Ｐ Ｃ 的比值， Ｕ型管，材料采用聚乙烯管（ＰＥＩＯ０），管外径为￣３２ｍｍ，内 结合相关经验，本次取Ｐ ｃ ＝２．８×１０。Ｊ／（ｉｎ ・Ｋ）。 径为￣２６ｍｍ，埋管深度均为４０ｍ。其中１＃孔周围布置三个 １０ｌ 温度测试孔，每个孔布置５个温度传感器。 埋管换热过程中监测孑Ｌ温度的变化来确定热干扰距离。本 次在１＃孔周围布置了不同间距的３个温度测试孔。热响应 测试过程中各观测孔中典型测点的监测结果见图６所示。表 ３．１ 岩土初始平均温度测试 温度测试孔内各温度传感器的埋置深度分别为８、１６、 ２４、３２、４０ｍ（其中Ｔ１孔４０ｍ位置温度传感器失效）。把各温 度测试孔所测岩土温度的算术平均值作为岩土初始平均温 度。则岩土初始平均温度为１７．７８℃。 ３．２地埋管热响应测试 对ｌ＃孔及２＃孔均进行了放热性能测试，试验时，保持恒 定加热功率，通过水泵不断向地埋管输入一定温度的热水， 并分别对进、出水管中的水温进行连续测读，持续时间为 ４８ｈ。进、出水口温度变化如图２～３所示。由此可得，地埋 管在经过一段时间水循环后，进出水口温差均基本恒定，表 明此时地下热交换已基本达到平衡状态，得出本次地埋管 单位管长的平均放热率，得到４０ｍ深度的１＃、２＃双ｕ型地埋 管每米孔深的平均放热能力分别为６５．８Ｗ／ｍ、６７．１Ｗ／ｍ。 ４５ ４０ ３５ ， 一 ３Ｏ ２５ ，， 赠 ２Ｏ ｌ， １５ １Ｏ ５ ０ 彗柰Ｅ Ｏ ５ｏ０ １ｏｏ０ ｌ５ｏ０ ２Ｏｏｏ ２５ｏ０ ３Ｏ０ｏ 测试时间／ｍｉｎ 图２ １＃孔放热过程进出水水温曲线 ４５ ４０ ｉ８ 蓍 ２５ ｌＯ ５ Ｏ ０ ５００ ｌ０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ 测试时间／ａｒｉｎ 图３ ２抖孔放热过程进出水水温曲线 ３．３岩土导热系数及热阻 ０ 捌 舡 ０ ５００ １ ｏ（）ｏ １５０ｏ ２０００ ２５ｏｏ ３０００ 测试时间／ｍｉｎ 图４ １＃孔管中流体平均温度变化曲线 根据１撑孔、２撑孔放热工况下实测的数据绘制对数时间 曲线，如下图４、５所示。根据实测的４０ｍ深的双Ｕ型地埋 管放热过程中的进出水温度数据，得到１｝≠、２＃孔的土壤导热 系数分别为１．６２３、１．７４９Ｗ／ｍ・Ｋ；１＃、２＃孔的热阻分别为 ０．２８５、０．２６２ｍ・Ｋ／Ｗ。拟建场地平均导热系数为１．６８６Ｗ／ ｍ・Ｋ，平均热阻为０．２７４，与经验值相符。 ３．４地埋管的热干扰距离 地埋管的热干扰距离是布置埋管问距的重要因素之 一。通过在地埋管周边布置地下土体温度监测孔，测试地 明地埋管在放热过程中各测试点的温度基本保持恒定。 黧 ０ 熠 ０ ５００ １０００ １５００ ２ｏｏＯ ２５００ ３Ｏｏ０ 靴 测试时间／ａｒｉｎ 图５ ２＃孔管中流体平均温度变化曲线 ３９ ３３ ２７ 酱 ２４ ２１ １５ ０ ５００ １ｏ（）ｏ ｌ５ｏｏ ２０ｏＯ ２５ｏ０ ３Ｏ０ｏ ３５０ｏ 测试时间／ｍｉｎ 图６ １＃孔地埋管放热过程温度监测孔曲线 由于本次测试为单孔测试，放热量小，且运行时间相对 较短（相对于地源热泵空调系统后期常年运行而言），同时 受到地下水径流的影响，地埋管放热性能测试过程中，温度 监控孔内的探头温度没有明显变化趋势。根据已有研究成 果，长期间歇运行的竖直地埋管的间距一般为３～５ｍ，当地 埋管间距达到６ｍ时，基本已无热干扰影响。 ４结语 根据线热源计算模型，实测工程实例所得热物性参数 与经验值相符，测试成果可为设计提供参考。单孔测试由 于运行时间较短等原因无法获得热干扰距离，设计可参阅 已有研究成果。线热源模型将钻孔内外岩土视为整体，忽 略了回填材料和岩土的差异。另外，本次未考虑地下水渗 流及季节效应等对测试的影响，有待进一步的研究。 参考文献 ［１］ 周亚素．土壤导热系数的现场测试方法［Ｊ］．东华大学学报 （自然科学版），２００８，３４（４）：４８２—４８５． ［２］韩华，孙保卫，王峰，等．现场测试地层平均热物性参数方法 初探一以北京某工程地源热泵系统地层热物性测试评价工程 为例［Ｊ］．城市地质，２００７，２（２）：２７—３１． ［３］ 于明志，彭晓峰，方肇洪，等．基于线热源模型的地下岩土热 物性测试方法［Ｊ］．太阳能报，２００６，２７（３）：２７９—２８２． ［４］ 赵军，段征强，宋著坤，等．基于圆柱热源模型的现场测量地 下岩土热物性方法［Ｊ］．太阳能学报，２００６，２７（９）：９３４—９３６． ［５］ＧＢ ５０３６６—２００５，地源热泵系统工程技术规范（２００９版）［ｓ］． ［收稿日期］２０１０—０３—０３ ［作者简介］ 李强（１９７６一），男，银川人，工程师，从事岩土 勘察测试工作。