巖土熱物性測試儀的研發(fā)與應用

王建輝 劉自強 劉遠 馬輝濤 劉偉 周泉 彭國輝

摘要：文章介紹了巖土熱物性測試儀的組成、測試原理和測試方法，通過對實際工程的實際測試，運用自制軟件結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造計算出了巖土綜合導熱系數(shù)和單位延米的換熱量，不但為后期地源熱泵項目的設計提供參考依據(jù)，也促進了地源熱泵技術(shù)在河北省的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：巖土熱物性;測試儀;地埋管地源熱泵;地質(zhì)構(gòu)造;導熱系數(shù);換熱量 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK523 文章編號：1009-2374（2016）04-0049-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.025

1 概述

地埋管源熱泵是一項利用可再生能源進行供暖供冷的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，它利用埋設于地下的地埋管換熱器與土壤交換熱量，提升可再生淺層地熱能的能量品位，進行供暖供冷，從而達到高效節(jié)能的效果。而地埋管地源熱泵系統(tǒng)效果的關(guān)鍵和設計的重要依據(jù)則是地埋管的換熱性能及巖土熱物性。巖土熱物性參數(shù)可以根據(jù)地層的巖性及物理性質(zhì)指標查閱相關(guān)地質(zhì)手冊、室內(nèi)試驗法或者現(xiàn)場測試法獲取。查閱法獲得的熱傳導系數(shù)往往范圍比較廣，取值偏于保守，極有可能造成投資浪費;室內(nèi)試驗法需采取現(xiàn)場土樣進行試驗，由于采集的土樣脫離了天然的地質(zhì)環(huán)境，其測試結(jié)果不能反映實際巖土的熱物性特征?，F(xiàn)場測試法避免了以上兩種方法的缺點，給出了整個鉆孔深度地層的平均熱物性特征，在實際工程中更為準確可靠，是目前大多數(shù)地源熱泵地質(zhì)勘查所采用的技術(shù)方法。為了更高效地利用地源熱泵技術(shù)，推動地源熱泵在河北省的快速穩(wěn)定發(fā)展，河北省科學院能源研究所與河北省地源熱泵檢測中心聯(lián)合開發(fā)了TPS-Ⅳ巖土熱物性測試儀，并申請了國家專利，擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)。

2 TPS-Ⅳ巖土熱物性測試儀

2.1 測試方法與原理

該儀器主要測試部件由流量傳感器、溫度傳感器、熱泵機組、水泵及管道、數(shù)據(jù)采集用計算機等組成。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示：

測試儀工作的過程中，地埋管換熱器的工作介質(zhì)（水或防凍液）由A口經(jīng)過1#溫度傳感器、水泵、熱泵機組進行熱交換，然后經(jīng)流量傳感器、2#溫度傳感器，由B口流出測試儀，進入地埋管換熱器與深層巖土進行熱交換后，又由地埋管換熱器出口進入測試儀，形成全封閉的工作循環(huán)。1#、2#溫度傳感器和流量傳感器將循環(huán)過程中的進出口溫度、流量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由通訊轉(zhuǎn)換器集中并轉(zhuǎn)換成上位機能夠接收的RS232通訊協(xié)議，實時傳輸給上位計算機進行分析、顯示和存儲。通過測量地埋管換熱器進出水的溫差和流量值來計算出巖土的平均熱物性參數(shù)。實物圖如圖2所示：

測試軟件采用Borland Delphi 7編程語言來編制，系統(tǒng)短小精悍，運行穩(wěn)定，每一分鐘采集并記錄一次進出水溫度及流量，并將所采集的數(shù)據(jù)實時儲存到Access數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)的分析整理。

2.2 傳熱模型及數(shù)據(jù)處理

2.2.1 鉆孔內(nèi)傳熱。地埋管傳熱的過程可以當作線熱源或柱熱源在無限大空間的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。即根據(jù)參考文獻[7]～[9]單U地埋管鉆孔內(nèi)的傳熱熱阻：

雙U地埋管鉆孔內(nèi)的傳熱熱阻：

3 案例分析

TPS-Ⅳ巖土熱物性測試儀的成功研發(fā)，先后為河北省石家莊、滄州、衡水、秦皇島、唐山、廊坊以及河南省信陽和新鄉(xiāng)等地20余項地源熱泵工程項目提供地下巖土熱物性測試服務工作，并利用GeoStarV3.0軟件對系統(tǒng)進行了運行模擬，均取得了科學有效的地下巖土熱物性參數(shù)，為項目單位合理布置埋管型式及埋管長度提供了重要參考。下面以滄州市某項地源熱泵項目巖地下巖土土熱物性測試工作為例說明具體應用測試情況。

3.1 項目概況

滄州市某項地源熱泵項目位于滄州市，建筑面積約為72720.37m2。測試孔深120m，地埋管型式為雙U型，地埋管材質(zhì)為HDPE100/DN32管，測試孔回填材料為原漿回填。鉆孔地層構(gòu)造柱狀圖如圖3所示：

由圖3可以看到，該地層構(gòu)造主要由沙土層和膠泥層組成，其中沙土層厚度70.9m，膠泥層厚度45.9m，其他成分厚度3.2m，較適合地埋管地源熱泵項目的實施。

3.2 數(shù)據(jù)處理

按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（條文說明）附錄C.3中推薦的方法：導熱系數(shù)及比熱容采用恒功率法。系統(tǒng)連接完畢后，分別采用恒功率測試法和恒溫測試法測試，以取得巖土導熱系數(shù)、比熱容;單位孔深換熱量。其中恒功率測試有效時間為48小時，恒溫法有效時間為2.5小時。有效測試時間內(nèi)地埋管進出口溫度隨時間變化曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，加熱器工作穩(wěn)定，進出口水溫曲線連續(xù)平緩，波動很小。土壤的初始溫度為15.75℃，測試孔的進出口平均溫度為30.3℃，平均溫差3.03℃，實際平均加熱功率為5.18kW，流量為1.933m3/h。

通過上述公式及自制軟件對測試數(shù)據(jù)的計算得到：項目所在地埋孔測試區(qū)域巖土平均導熱系數(shù)為2.10[W/（m·k）]，土壤容積比熱容為7×106（J/m3·℃）?？讍挝豢咨顡Q熱量采用恒溫法測試，測試儀模擬熱泵機組夏季制冷工況，向地下巖土放熱，地埋管進口溫度恒定在33℃，穩(wěn)定時間2.5小時，根據(jù)上述公式計算可得：測試孔單位埋深換熱量為56.76W。

根據(jù)巖土地層結(jié)構(gòu)分析和綜合導熱系數(shù)以及換熱量分析，該項目在該地區(qū)巖土導熱系數(shù)較高，巖土具有良好的導熱能力，在經(jīng)濟性方面也在合理的預期之內(nèi)，所以比較適合地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，同時測試計算出來的熱物性參數(shù)也可以成為空調(diào)供熱系統(tǒng)設計參數(shù)的重要參考。

4 結(jié)語

通過對該項目熱響應試驗數(shù)據(jù)分析計算得到，該項目巖土平均導熱系數(shù)為2.10[W/（m·k）]，土壤容積比熱容為7×106（J/m3·℃）。地埋管進口溫度恒定在33℃，測試孔單位埋深換熱量為56.76W。該數(shù)據(jù)可以為此項目的設計提供一定的參考，同時該儀器的測試結(jié)果也得到了很好的驗證，目前該項目運行效果良好，儀器已經(jīng)投入到河北省地源熱泵檢測應用中，得到業(yè)內(nèi)人士的好評。

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基金項目：河北省科學院高層次人才資助項目（20150503LR62-15）。

（責任編輯：陳 潔）