岩土热物性测试参数—土壤源热泵系统设计

一、岩土热物性测试

概述

    在对土壤源热泵系统中，地埋管换热系统的设计和应用上，系统的整体性能与土壤的热物理性能密切相关。对土壤源热泵系统中的地埋管换热系统而言，土壤的热物理性能主要反映在以下几个参数：1、土壤的初始温度；2、土壤的导热系数；3、土壤的比热容。

    岩土综合热物性参数是指不含回填材料在内的，地埋管换热器深度范围内，岩土的综合热系数、综合比热容；

    岩土初始平均温度：从自然地表下10~20m至竖直地埋管换热器埋设深度范围内，岩土常年恒定的平均温度。

    岩土综合热物性参数和岩土初始平均温度统称为岩土热物性测试参数。

二、岩土热物性测试试验目的

    以往传统的土壤源热泵系统的设计中，其设计方法往往过于简单化和经验化，并未对当地的岩土热物性进行实地的考察测量，而单凭经验公式或经验数据进行设计计算。不能将土壤视为一个温度恒定的整体，沿途材料不一致，要考虑土壤垂直分层，这样得出岩土的热物性参数更准确。在对地源热泵空调系统的设计中，岩土热物性参数的正确获得，是决定整个地源热泵系统经济性和节能性与否的关键性因素。Kavanaugh的研究表明，当地下岩土的导热系数发生10%的偏差，则设计的地下埋管长度偏差约为4.5%~5.8%。

    由此带来的结果是：将岩土热物性参数作为指导土壤源热泵系统设计和应用的关键性参数，一直以来都未能引起人们的重视。

    随着我国地埋管地源热泵系统研究的不断深入，应用规模的不断扩大，岩土热物性参数的重要性日益凸显出来。如何正确获得岩土热物性参数，并以此指导地埋管地缘热泵系统的设计。2009年，在原《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005的基础上，增加补充岩土热响应试验方法和相关内容，明确了应结合岩土热物性参数，采用动态耦合计算的方法指导地埋管地缘热泵系统设计。

    由此可见，岩土热物性参数作为土壤源热泵系统勘察设计的关键性参数，直接影响整个系统的设计合理与否，直接影响地热利用的效率和投资成本，是土壤源热泵系统设计和应用的前提，也是当前浅层地热利用技术推广的难点。准确获得项目所在地岩土热物性参数，不仅是影响地埋管换热器，同时也是决定整个土壤源热泵系统设计成功与否的关键性参数。

三、岩土热物性试验要求

1. 一般规定

A、在岩土热响应测试试验之前，应对测试地点进行实地的勘察，根据地质条件的复杂程度，确定测试孔的数量、深度和测试方案。地埋管地源热泵系统的应用建筑面积大于等于10000㎡时，测试孔的数量不应少于2个。对2个及以上的测试孔的测试，其测试结果应取算术平均值。

B、在岩土热响应试验之前应通过钻孔勘察，绘制项目场区钻孔地质综合柱状图。

C、岩土热响应试验内容：

a、岩土初始平均温度；

b、地埋管换热器的循环水进出口温度、流量以及试验过程中地埋管换热器施加的加热功率。

D、岩土热响应试验报告内容

a、项目概况；

b、测试方案；

c、参考标准；参考文献《2003ASHRAE HANDBOOK HVAC Applications》土壤、岩石及回填料热物性参数；

d、测试过程中参数的连续记录包括：循环水流量、加热功率、地埋管换热器进出口水温度；

e、项目所在地岩土柱状图；

f、岩土热物性参数；

g、测试条件下，钻孔单位延米换热量参考值。

E、测试现场提供稳定的电源，具备可靠的测试条件；

F、在对测试设备进行外部连接时，应遵循先接水后接电的方式；

G、连接应减少弯头、变径、连接管外露部分应做好保温，保温层不得小于20mm。

2、仪表要求

A、在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于±1%。

B、流量的测量误差不应大于±1%。

C、温度的测量误差不应大于±0.2℃%。

    对测试仪表的选择，在选择高精度等级的元器件同时，应选择耐用、稳定、抗干扰能力强，在长时间连续测量情况下仍能保证测量精度的元器件。

四、岩土热物性试验方法

现场测试法

    现场测试法就是在施工现场进行实地测试，这样就避免了现场因素影响造成误差，现场测试利用的是热响应实验法的原理，即通过向地下输入恒定的热量，进而检测土壤的温度响应来得出土壤热物性的方法。现场测试时，首先要在需要埋设土壤源热泵系统地下管路的场地钻进一个测试孔，然后按照实际施工的要求装好管路，回填料要密实，然后再连接上土壤导热系数测试仪。需要注意的是：现场的测试孔一定要与系统中使用的换热孔规格相同。将实验测的结果与传热模型的模拟结果进行对比，当两者的结果最为接近时，通过模型调整后的热物性参数既是所求的结果。

    通过比较就会发现，只有这种现场测试法才能充分考虑到现场因素的影响。可以预见，这类现场测试装置的发展才是预测土壤热物性的发展方向，降低参数选取的不确定性，、使土壤换热器的设计更为合理。

五、岩土热物性测试仪的测试步骤

1、在测试实验开始前，应首先对钻井区域进行实地考察，已确定现场测试方案。

2、根据中华人民共和国国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB   50366—2005的成井规范，预先做好试验井。要求试验井一定要与系统中使用的钻进规格相同。在下管、回填等一系列成井工序完成后，将试验井至少放置48h,使试验井内的回填料与井内温度逐渐恢复至与周围岩土温度一致。

3、在测试试验开始前，应利用铂电阻等测量工具对土壤初始温度进行测量。测试方法预先在实验孔内不同的深度放置铂电阻利用数据线把温度传至地面接收器。

4、在测试仪进场后，应使测试仪摆放的位置尽可能地靠近测试井，以减少水平连接管的长度，减少热损失。外面裸露的部分管路应做好保温。并在分析计算的时候将这一部分的热损失考虑进去。

    测试仪摆放整齐，便于工程人员操作。在测试现场，应搭设防护措施，应搭建一个小帐篷，以免测试仪受环境温度变化的影响，影响测试结果。

5、在水电外部设备连接完毕后，应对仪器本身以及外部设备的连接再次进行检查。一切检查完毕后，方可启动测试仪进行测试。顺序是：现数据采集系统，在水泵，后电加热的顺序来进行。在系统启动运行正常后，应保证实验过程不间断测试，一般要72小时以上，最后的数值应稳定时长为10小时以上。以获得较为可靠稳定的岩土热物性参数。

6、在测试完毕后，关闭测试仪的顺序为先关闭电加热设备，在水泵，后数据采集系统。从计算机中取出实验测试的结果，将传热模型（地源热泵传热模型的理论基础有三种：线热源理论、圆柱热源理论、能量平衡理论）的结果与实际测量的结果进行对比，使得方差和

取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数既是所求的结果。也可将实验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性。