在巖土探測作業過程中總是離不開各種探測工具的，巖土熱物性測試儀就是其中一種，本文主要探討了巖土熱物性測試儀的工作原理與結構設計。

　　《巖土工程技術》促進學科理論發展和學術交流、傳播知識創新和技術創新，加速科技創新成果向現實生產力轉化;刊登巖土工程的基礎理論和應用研究的學術論文、綜述性論文、報道、實物(裝置、系統、產品、材料等)、技術方法、工程實錄以及其他有實用價值的文章等。

　　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，運用自制軟件結合當地地質構造計算出了巖土綜合導熱系數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，也促進了地源熱泵技術在河北省的發展。

　　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能環保技術，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，從而達到高效節能的效果。而地埋管地源熱泵系統效果的關鍵和設計的重要依據則是地埋管的換熱性能及巖土熱物性。巖土熱物性參數可以根據地層的巖性及物理性質指標查閱相關地質手冊、室內試驗法或者現場測試法獲取。查閱法獲得的熱傳導系數往往范圍比較廣，取值偏于保守，極有可能造成投資浪費;室內試驗法需采取現場土樣進行試驗，由于采集的土樣脫離了天然的地質環境，其測試結果不能反映實際巖土的熱物性特征。現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，是目前大多數地源熱泵地質勘查所采用的技術方法。為了更高效地利用地源熱泵技術，推動地源熱泵在河北省的快速穩定發展，河北省科學院能源研究所與河北省地源熱泵檢測中心聯合開發了TPS-Ⅳ巖土熱物性測試儀，并申請了國家專利，擁有獨立知識產權。

　　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、數據采集用計算機等組成。結構簡圖如圖1所示：

　　測試儀工作的過程中，地埋管換熱器的工作介質(水或防凍液)由A口經過1#溫度傳感器、水泵、熱泵機組進行熱交換，然后經流量傳感器、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。1#、2#溫度傳感器和流量傳感器將循環過程中的進出口溫度、流量采集并轉換成數字信號，由通訊轉換器集中并轉換成上位機能夠接收的RS232通訊協議，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。實物圖如圖2所示：

　　測試軟件采用Borland Delphi 7編程語言來編制，系統短小精悍，運行穩定，每一分鐘采集并記錄一次進出水溫度及流量，并將所采集的數據實時儲存到Access數據庫中，以備后續的分析整理。

　　2.2 傳熱模型及數據處理

　　2.2.1 鉆孔內傳熱。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態傳熱過程。即根據參考文獻[7]～[9]單U地埋管鉆孔內的傳熱熱阻：

　　雙U地埋管鉆孔內的傳熱熱阻：

　　3 案例分析

　　TPS-Ⅳ巖土熱物性測試儀的成功研發，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，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，地埋管材質為HDPE100/DN32管，測試孔回填材料為原漿回填。鉆孔地層構造柱狀圖如圖3所示：

　　由圖3可以看到，該地層構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 數據處理

　　按照《地源熱泵系統工程技術規范》(條文說明)附錄C.3中推薦的方法：導熱系數及比熱容采用恒功率法。系統連接完畢后，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、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，加熱器工作穩定，進出口水溫曲線連續平緩，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據的計算得到：項目所在地埋孔測試區域巖土平均導熱系數為2.10[W/(m・k)]，土壤容積比熱容為7×106(J/m3・℃)。孔單位孔深換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℃，穩定時間2.5小時，根據上述公式計算可得：測試孔單位埋深換熱量為56.76W。

　　根據巖土地層結構分析和綜合導熱系數以及換熱量分析，該項目在該地區巖土導熱系數較高，巖土具有良好的導熱能力，在經濟性方面也在合理的預期之內，所以比較適合地埋管地源熱泵空調系統，同時測試計算出來的熱物性參數也可以成為空調供熱系統設計參數的重要參考。

　　4 結語

　　通過對該項目熱響應試驗數據分析計算得到，該項目巖土平均導熱系數為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。該數據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，儀器已經投入到河北省地源熱泵檢測應用中，得到業內人士的好評。

　　參考文獻

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