223土壤导热系数的现场测定正文

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1、土壤导热系数的现场测定北京工业大学刘立芳王瑞华张亚庭丁良士摘要土壤热物性是地下埋管换热器设计的重要参数，它的大小对钻孔深度与个数的有着显著的影响，故其测定的准确程度强烈影响着系统的性能和经济性。本文对目前较为常用的测试方法进行了比较，认为现场测试方法是确定土壤热物性的最佳方法。系统温度变化主要集中在进入地下侧的管道内，占到系统总温差变化72％，因此建议在系统设计时强化回水管与土壤的传热，或者利用进水管传热效果好的特点，从而优化系统性能。关键词土壤热物性现场测试大地导热系数回填料0引言对于土壤源热泵系统的设计，无论是利用相关软件计算还是使用工程上简化计算公式，土壤的热物性参数都是土

2、壤源热泵系统地下埋管换热器设计的一个重要参数，它的大小对钻孔深度与个数的有着显著的影响。如果物性参数不准确，则所设计的系统可能达不到负荷需求，也有可能系统规模过大，从而大大增加系统的初投资。所以研究的热点就集中在合理减少钻孔的深度和个数上，而这些都工作首先都需要确定土壤的热物性参数。1土壤热物性的测定方法目前国内外在确定土壤热物性参数时的设计方法主要有以下3种：1.1根据前期钻井获得的地质资料，通过查找土壤地质方面的手册进行确定如美国电力局（EPRI）编写的手册：SoilandRockClassificationfortheDesignofGround-coupledheatpu

3、mpSystemsFieldManual；以及国际热泵协会（IGSHPA）编写的手册：SoilandRockClassificationManual等。由于这种手册给出的土壤物性参数并非一个确定值，而是一个可能存在的范围，系统设计人员在设计土壤换热器时，由于设计者的知识水平、经验以及设计估测保守程度等不同会存在很大的差异。1.2实验室取样测试法这是较为经典的实验室方法。此方法将现场采集的土壤试样在实验室中通过一定的方法进行测试，从而获得其导热系数等土壤的热物性参数值。虽然通过此方法测量的土壤试样热物性数值较为准确，但是由于土壤属于多孔介质，其热物性不仅与地理位置以及当地地层构造有

4、关，还与地下含水层密切相关。已有结果表明【1】，仅土壤的导热系数就与试样的温度、密度、空隙比、饱和度等因素有关。由于此种方法离开了原工程地，故而对现场因素造成的影响考虑不够全面。1.3现场测试法顾名思义，现场测试法就是在施工现场进行测试，这样就避免了现场因素影响造成的误差。这种现________________________________________________________________________北京市科委可持续发展科技促进中心项目（编号：R050654-03）:“地源热泵技术和工程模式研究”。场测试利用的是热反应实验法的原理，即通过向地下输入恒定的热量，

5、进而检测土壤的温度响应来估计土壤热物性的方法。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地面上打一个测试孔，然后按照实际施工的要求装好管路，填上回填料，然后再连接上土壤导热系数测定仪。需要注意的是：这里的测试孔一定要与系统中使用的钻孔规格相同。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各因素的影响。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。2实验装置北工大地热供暖示范工程课题组于2000年底开始，在实验室设计了土壤源热泵实验系统，进行了多项配套工程的中试研究。2004年开发出第一台土壤热

6、物性测试仪，后又陆续研制了共三台不同类型和尺寸的测试仪。2.1实验原理电加热法测试现场导热系数，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估算土壤热物性，其原理如图1：由原理图（图1）中可以看出，流体经过电加热器加热后，被送入到地下，由于加热后的流体温度高于地下土壤的温度，故热量通过管壁由流体向土壤放热，这样从地下再回到测试仪中的流体的温度就存在一定的变化，这就是地下土壤的温度响应。在仪器与地下管路相连的地方各设置一个温度传感器是必要的，这样就可以采集到管道平均温度的实时数值，这是用图1电加热法测试原理图来估计大地导热系数的关键数据。2.2测试仪表及精度2.2.1温度测

7、量：实验装置进/出口温度测量采用精密温度变送器，百分数误差限：≤0.25%2.2.2流量测量：精度为±0.5%2.2.3功率测量：采用脉冲电度表，百分数误差限：≤±1.5％2.2.4长度测量：使用普通100米尺，百分数误差限为±1%2.3仪器测试误差分析根据线热源模型，估算导热系数的公式为：(1-1)式中：P——功率；m——梯度；L——钻孔深度。通过分析我们认为：导热系数的误差主要由功率测试误差和深度测试误差组成。而功率的测量误差则包含读数误差、时间记录误差和测量误差组成，则根据