在巖土探測作業(yè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　《巖土工程技術(shù)》促進(jìn)學(xué)科理論發(fā)展和學(xué)術(shù)交流、傳播知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，加速科技創(chuàng)新成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化;刊登巖土工程的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的學(xué)術(shù)論文、綜述性論文、報(bào)道、實(shí)物(裝置、系統(tǒng)、產(chǎn)品、材料等)、技術(shù)方法、工程實(shí)錄以及其他有實(shí)用價(jià)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(shí)際工程的實(shí)際測試，運(yùn)用自制軟件結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造計(jì)算出了巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)和單位延米的換熱量，不但為后期地源熱泵項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，也促進(jìn)了地源熱泵技術(shù)在河北省的發(fā)展。

　　1 概述

　　地埋管源熱泵是一項(xiàng)利用可再生能源進(jìn)行供暖供冷的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，它利用埋設(shè)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?zé)崮艿哪芰科肺唬�進(jìn)行供暖供冷，從而達(dá)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(shè)計(jì)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(biāo)查閱相關(guān)地質(zhì)手冊、室內(nèi)試驗(yàn)法或者現(xiàn)場測試法獲取。查閱法獲得的熱傳導(dǎo)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(fèi);室內(nèi)試驗(yàn)法需采取現(xiàn)場土樣進(jìn)行試驗(yàn)，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(shí)際巖土的熱物性特征。現(xiàn)場測試法避免了以上兩種方法的缺點(diǎn)，給出了整個鉆孔深度地層的平均熱物性特征，在實(shí)際工程中更為準(zhǔn)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(xué)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(dú)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(jī)組、水泵及管道、數(shù)據(jù)采集用計(jì)算機(jī)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(jī)組進(jìn)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(jìn)入地埋管換熱器與深層巖土進(jìn)行熱交換后，又由地埋管換熱器出口進(jìn)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(jìn)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(jī)能夠接收的RS232通訊協(xié)議，實(shí)時傳輸給上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、顯示和存儲。通過測量地埋管換熱器進(jìn)出水的溫差和流量值來計(jì)算出巖土的平均熱物性參數(shù)。實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定，每一分鐘采集并記錄一次進(jìn)出水溫度及流量，并將所采集的數(shù)據(jù)實(shí)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(dāng)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(xiàn)[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(xiàng)地源熱泵工程項(xiàng)目提供地下巖土熱物性測試服務(wù)工作，并利用GeoStarV3.0軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行模擬，均取得了科學(xué)有效的地下巖土熱物性參數(shù)，為項(xiàng)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(xiàng)地源熱泵項(xiàng)目巖地下巖土土熱物性測試工作為例說明具體應(yīng)用測試情況。

　　3.1 項(xiàng)目概況

　　滄州市某項(xiàng)地源熱泵項(xiàng)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(xiàng)目的實(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)出口平均溫度為30.3℃，平均溫差3.03℃，實(shí)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(jì)算得到：項(xiàng)目所在地埋孔測試區(qū)域巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)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(jī)組夏季制冷工況，向地下巖土放熱，地埋管進(jìn)口溫度恒定在33℃，穩(wěn)定時間2.5小時，根據(jù)上述公式計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)以及換熱量分析，該項(xiàng)目在該地區(qū)巖土導(dǎo)熱系數(shù)較高，巖土具有良好的導(dǎo)熱能力，在經(jīng)濟(jì)性方面也在合理的預(yù)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(jì)算出來的熱物性參數(shù)也可以成為空調(diào)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的重要參考。

　　4 結(jié)語

　　通過對該項(xiàng)目熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到，該項(xiàng)目巖土平均導(dǎo)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(jìn)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)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(yàn)證，目前該項(xiàng)目運(yùn)行效果良好，儀器已經(jīng)投入到河北省地源熱泵檢測應(yīng)用中，得到業(yè)內(nèi)人士的好評。

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