岩土热物性测试方法及应用20140917

岩土热物性测试技术及应用郭艳春2014-09-17北京市华清地热开发有限责任公司岩土热物性测试的意义•地源热泵技术是一项节能、环保的新技术。进入21世纪地源热泵在我国快速发展起来。地埋管地源热泵系统与传统的空调形式相比，增加了地埋管换热器系统，其设计直接影响到系统的可靠性和经济性。•岩土热物性测试的直接目的是获得准确的基于地埋管换热器的岩土换热能力，从而为地埋管换热器系统的设计提供依据。•不同的项目地点，其地层岩性、水文地质条件等均不同，包括不同的施工条件，都会对地埋管换热能力产生很大影响。为了提高地源热泵系统的经济性和可靠性，在建设初期，地埋管换热器系统设计之前进行岩土热物性测试非常必要，应该得到相关单位的足够重视。地层初始平均温度测试初温测试《地源热泵系统工程技术规范》推荐《浅层地热能勘查评价规范》推荐最新方法无功循环布置传感器水温平衡布置传感器法•顾名思义，该方法是沿地埋管换热器不同的深度布置温度传感器，通过实时监测温度传感器的监测数值，确定不同深度地层的温度。布置传感器法•埋设传感器法为最准确的方法，基于埋设传感器法的长期应用，总结温度传感器埋设方法有投入测试孔、地埋管内埋设、地埋管外埋设和单独埋设。投入测试孔是利用投入式温度传感器投入未下入管材的测试孔内，通过上下位移测量不同深度的地层温度；地埋管内埋设是利用埋入式温度传感器下入已经与地层形成热平衡的地埋管内，通过上下位移测量不同深度的地层温度；地埋管外埋设是将温度传感器按设计下入深度固定在地埋管外部，随地埋管一同下入测试孔；单独埋设是将温度传感器单独下入监测孔后回填。无功循环法•无功循环是在不向地埋管加载冷、热量的情况下，使水在地埋管内循环，在循环水的温度达到稳定时，此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。水温平衡法•水温平衡是地埋管安装完成足够时间后，PE管内的水与岩土体的温度达到平衡，此时通过水泵循环将PE管内的水泵出，同时监测水温的变化，分析岩土体的温度的方法。地层初始平均温度测试方法对比水温平衡无功循环布置传感器操作简单，数据分析简单只能获得平均温度，测试时间长可获得不同深度地层温度，测试时间短数据分析复杂，须与地层建立热平衡测量准确，不同深度地层温度操作复杂，成本高岩土样品分析•在20世纪80年代以前，对于平均导热系数和体积比热容，研究人员通常取样分析的方法，是指将某一深度、一定厚度的岩土样品提取出来，利用试验仪器进行测量以获得岩土的热物性参数的方法。•但这种方法存在较为明显的问题，一个是岩土脱离原有所处的环境，自身性质必然会发生变化，对测试的准确性有影响；第二取样存在局限性，细颗粒地层取样率较高，但粗颗粒地层原状土取样一直是难题；第三，只能取得局部深度的岩土体，不能对整个井深范围内的岩土体进行测量，因此不能获得真实的岩土体热物性参数。稳定热流测试方法•20世纪80年代中期以后，随着地源热泵技术在一些欧美国家的推广应用，岩土体热物性测试技术，即野外现场原位测试技术应运而生。1983年，瑞典就把这种测试土壤传热特性的方法定义为“热响应”。相比取样分析法，现场测试的方法更为科学，获得的结论准确性更高。稳定热流测试方法•目前国内外采用的岩土热物性测试方法主要是稳定热流测试方法，该方法是在工程现场建立竖直地埋管换热器测试孔，通过U型管对该孔施加恒定的热流，测量加热功率、U型管内换热流体进出口温度、流量等参数，通过数据采集系统，以一定时间间隔记录试验数据，根据上述动态变化数据，经过一定的数学模型处理后，可以获得当地岩土体的平均导热系数以及钻孔内的热阻，计算得到地埋管换热器的总长度。•稳定热流的测试方法是国际地源热泵协会（IGSHPA）的标准和美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）手册所推荐的方法，也是国际上通行的做法和我国规范认可的方法。热响应测试获得地层热响应数据传热模型线热源、柱热源借助软件计算求解手工计算过于复杂稳定热流测试方法稳定的加热功率监测测试过程参数温度达到基本稳定热响应测试注意：在稳定热流测试数据中，直接体现的地层换热量不是地埋管的实际换热能力，而是对加热功率的响应，但它是计算地埋管换热能力的一个参数。地层热响应数据测试累计时间、地埋管换热器进出水平均温度、地埋管实际换热量热响应测试传热模型•地埋管换热器与岩土体的热交换是一个非常复杂的换热过程，可以看成多孔介质内包含水流动的热质迁移过程。从地学的角度讲，地质体是一个非常复杂、隐蔽且具有不确定性的研究对象，因此建立地质体的热物理模型非常困难。•由于地下土壤情况非常复杂，稳定热流测试方法对实际情况进行了简化，引进如下假设：钻孔周围岩土是均匀的；埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热，沿长度方向传热量忽略；埋管与岩土的换热强度维持不变；忽略地下水渗流影响。稳定工况测试稳定工况测试是稳定地建立地埋管换热器的运行工况，在工况稳定的情况下测定地埋管换热器的换热量，从而确定设定工况下地埋管换热器的换热热能力。包括夏季工况测试和冬季工况测试综合反映管材、回填料地层岩性地下水流动运行工况地埋管换热器施工条件稳定工况测试岩土热物性测试研究实例北京市通州区北京观光南瓜园粘土、粉细砂互层25002#测试孔100m100m1#测试孔3#测试孔30m2000计算结论对比经数据处理，两种方法计算得到岩土换热能力均在合理范围内且相差很小，可互相验证方法的准确性。数值接近的原因是该区地层岩性单一，且颗粒较细，地下水流动性较弱，比较接近模型中的假定条件。编号岩土初始平均温度℃岩土平均导热系数W/m·K软件模拟换热能力W/m实测换热能力W/m夏季工况冬季工况夏季工况冬季工况1#测试孔13.792.1279.76—78.06—2#测试孔13.81——33.52—34.68稳定工况的测试方法，自提出以后，经过大量的实践应用验证，已经得到业内的认可和推广，趋于成熟。岩土热物性测试设备•国内外已有的岩土热物性测试设备，按照运输行形式将其大致分为便携式（包括柜式）和车载式（包括拖车式），按照功能将其大致分为稳定热流型和稳定工况型。•这些设备大多采用电加热器（有些采用风冷热泵或者风冷热泵和电加热器联合）作为冷热源，向地埋管换热器提供稳定的热量或者建立稳定的地埋管换热器运行工况，岩土的热响应情况反映到地埋管换热器进、出水温度的变化，从而计算获得岩土的热物性参数等相关参数。年实现了测试设备的产品系列化及市场推广，其岩土热物性测试设备具有功能齐全、精度高等特点。设备功能（1）功能测试仪功能齐全，包括岩土初始温度测试、稳定热流测试和稳定工况测试。其中岩土初始温度测试支持无功循环、水温平衡和埋设传感器三种方法。系统支持账户功能、实时显示、数据记录、导出。（2）精度测试仪所有数据采集组件全部采用高精度设备，并经国家检定；控制系统采用PID比例微积分调节，控制精度极高。（3）安全人身安全保护措施到位，杜绝用电事故发生；系统具有故障报警、自动断电保护功能。无功循环法•首先规定测试稳定点，我院根据大量实践经验规定测试稳定点的判断方法后两种，一是设备回水温度持续12小时变化不大于0.5℃，二是设备供回水温度差值持续1小时不大于0.1℃，测试稳定点之后的数据为有效数据，计算设备回水温度的算术平均值即为岩土体平均初始温度。()ln22bbsbobsbbbsbobbbsbpiibbsbbsbddddDdddRDdDddhdddDD0.80.40.023RePrRefluidiiNuhdNuvd4440.80.41111lnlnlnln2220.023RePrRebbbsbobbobsbpiifluidiiddddRdDdDddhNuhdNuvd钻孔内热组•式中：222222222lnln11112ln2lnln422ln()ln22bbsbobsbbbsbobbbsbpiibbsbbsbddddDdddRDdDddhdddDD0.80.40.023RePrRefluidiiNuhdNuvd20.550910.002610.00001318180100fluidtttt234Pr13.635240.491130.00980.00009956680.0000003924830100tttttt625384101.78510.056590.001071.06758104.18124100100tttttt222222222lnln11112ln2lnln422ln()ln22bbsbobsbbbsbobbbsbpiibbsbbsbddddDdddRDdDddhdddDD0.80.40.023RePrRefluidiiNuhdNuvd222222222lnln11112ln2lnln422ln()ln22bbsbobsbbbsbobbbsbpiibbsbbsbddddDdddRDdDddhdddDD0.80.40.023RePrRefluidiiNuhdNuvd传热模型•线源：•柱源：2214lnln445fbsssbss