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中国地质学会 岩土热物性测试相关问题探讨 毕文明，李翔，郭艳春 北京华清荣昊新能源开发有限责任公司，北京，102218 摘要：随着节能减排压力的增加，节能环保的地源热泵技术应用迅速增加，截至2010年全国 应用面积已超过1．4亿m2。作为地埋管换热器设计的主要依据，岩土热物性参数的测试成为近几 年讨论的热点之一。尽管已经有十几年的应用，但在岩土热物性测试方面仍然存在诸多问题，主 要集中在测试方法、测试设备以及测试数据分析模型和算法方面。 关键词：岩土热物性测试热响应测试地层初始平均温度测试分层热物性测试 一、概述 地埋管地源热泵系统设计的核心是地埋管换热器的设计，而岩土热物性参数是地埋管换热器设计的主 要依据之一，因此在进行地埋管换热器设计之前需要进行现场测试获取岩土热物性参数。目前原位热响应 试验是获取岩土热物性参数的主要手段，其原理是向地埋管换热器加载热量或冷量，测量岩土热响应反映 到地埋管换热器进、出水温度的变化情况，利用相关模型计算岩土热物性参数。 在北欧、北美一些国家很早就已经开始岩土热物性测试的相关研究，我国则起步较晚，但近几年发展迅速。 目前在岩土热物性测试方面还存在一些问题，包括测试方法、测试设备以及相关数据分析模型等方面。 二、测试方法 岩土热物性参数主要指岩土综合导热系数容积比热容，容积比热容通常是根据地层岩性估算，岩土综 合导热系数则是通过原位现场试验获得。在实际地源热泵工程中，岩土初始平均温度也作为岩土热物性参 数进行前期勘察。 1．岩土综合导热系数测试 原位热响应试验是获取岩土综合导热系数的主要手段。实际测试中，不同的试验方法和试验条件测试 结论会有所不同。 1．1原位热响应试验方法 目前的原位热响应试验可分为稳定热流热响应试验和稳定工况热响应试验…。前者已经发展十几年， 应用广泛，而后者则是近几年发展起来的新试验方法。 稳定热流热响应试验是对地埋管换热器加载恒定的热量(或冷量)，通过分析岩土的热响应反映到地 埋管换热器进、出水温度的变化情况，计算岩土综合导热系数。稳定热流热响应试验要求加热功率稳定， 得到的结果是区域的岩土综合导热系数。 稳定工况热响应试验是对地埋管换热器加载稳定的工况，即地埋管换热器的进水温度和流量，通过分 析岩土的热响应反映到地埋管换热器出水温度的变化情况，计算岩土综合导热系数。稳定工况热响应试验 强调要求地埋管进水温和流量稳定，实质是一种变热流的热响应试验，得到的结果除了岩土综合导热系数 外，还能够计算测试工况下的地埋管换热器的换热功率和能够反映岩土热物性、钻孔参数、埋管参数、回 121 中国地质学会 填材料以及运行工况的综合传热系数。稳定工况热响应试验能够计算更多的参数，但采用该方法计算岩土 综合导热系数的相关理论模型还不成熟，有待于进一步研究。 1．2试验条件对稳定热流热响应试验结论的影响 通常地源热泵系统工程的岩土热物性测试对同一测试孔只进行一次热响应试验，取得的岩土热物性参数作为 地埋管换热器设计的依据。热物性参数是岩土的固有属性，其数值不应受试验条件的改变而发生变化(温度不同 时会有微小变化)，然而通过试验发现，不同的试验条件稳定热流热响应试验的结果并不相同。 图l是在同一换热测试孔内采用单U和双U以及不同的加载功率计算岩土综合导热系数的结果。试 验数据采用线热源模型分析。 表l换热测试孔参数表 孔深 管材 回填材料 孔径 管材导热系数 回填料导热系数 120m 高密度聚乙烯管 中粗砂 150mm0．48W／(m‘K) 1．6W／(m。K) 耋茎一 中国地质学会 2．1无功循环法 无功循环法是在无冷、热量加载的情况下，使水在地埋管内循环，在循环水的温度达到稳定时，循环 水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。由于测试仪内的水需要与地下岩土体建立热平衡，