２０１ａｕｇｕｓ５年第４ｌ卷第８期
ｔ２０１５
工業安全與環保
７９地源熱幫浦土壤熱物性測試實驗研究＊
韓斯東金光畢文明２
（１．內蒙古科技大學能環學院
內蒙古包頭０１４０１０；２．北京華清榮昊新能源開發有限責任公司北京１０００１２）摘要
通過對同一測試孔分別進行實驗室法、線熱源測試模型方法以及在原有柱熱源測試模型方法
的基礎上提出分層熱物性測試法進行土壤熱物性測試，並對測試資料進行分析。結果表明，實驗室法求得的
平均導熱係數比線熱源換熱模型法測試求得的平均導熱係數低３２．７２３％。比分層柱熱源換熱模型求得的平均導熱係數低４０．２６８％，分層柱熱源換熱模型求得土壤熱物性計算更詳細、客觀。
關鍵詞地源熱幫浦熱物性測試實驗室法線熱源模型柱熱源模型
ｈａｎｊｉｎｃｕａ
黜一一捌觸一
一酗ｃａｌ一 ｄｌ珊
一ｍ眥ｍｏｄｅｌ
ｏ引言和ｎａｓａ發展的ｋｅｌｖｉｎ線熱源理論【２２，以及ｃａｊｒａｌａｗ地源熱幫浦是指利用地球表面的土壤、地下水或
等［３】的柱熱源傳熱模型。無論是線熱源模型還是柱
地表水作為熱源或熱匯的暖通空調系統。地埋管換熱源模型，所測得的土壤導熱係數均為地下土壤的熱器的設計是地埋管地源熱幫浦系統設計的乙個重
綜合導熱係數。本實驗選取鑽孔的底層周邊擁有地
點，且地埋管換熱器的費用佔前期總投資的１／２至下水資源，測試孔孔深１２０ ｉｎ，孔徑１８０ｎ＇ｂｎ，下入１／３，而地埋管換熱器設計的主要依據是工程場區內ｈｄｐｅ雙ｕ型管，ｐｅ管內徑為２６ｎｌａｒｎ，壁厚為３ｍｍ，土壤熱物性引數。
測試孔示意如圖１所示。分別採用實驗室法和現場國內、外針對土壤熱物性測試和地埋管換熱器測試法對同乙個測試孔進行土壤熱物性測試，分析換熱特性測試均做了大量理論研究及工作。土壤熱
使用不同的方法得出不同結果的原因。
物性測試主要分為實驗室法和現場測試法。實驗室法是對試驗孔不同深度的土壤樣品進行測試；目前
國際上常用的熱物性測試方法是由ｍｏｇｅｎｓｅｎ提出
的熱響應方法（ｔｒｔ）ｅ１］。這種方法是對測試孔ｕ型管施加乙個恆定的熱流，通過獲取熱流的加熱功率
以及ｕ型管進、出口流體溫度及流量等引數計算土壤綜合熱物性引數。
地源熱幫浦代表性的理論主要為１９４８年ｓ（』ⅱ
圈ｌ測試孔示意圖
＊**專案：「十二五」國家科技支撐計畫課題內蒙古自然科學**專案
８０１實驗方法１．１實驗室法
根據式（２）可推導利用穩定熱流測試資料計算土壤導熱係數的公式：
（ｔ）＝五ｌｒｉ（ｔ）＋ｍ
ｋ（３）（４）
實驗室法又叫實驗室取樣測試法，其測試方法
是從地層的３—７２ ｍ區間每隔３ ｍ取樣１次，分別
測定土壤的質量密度熱導率、比熱容ｃ，並計算
出導熱係數。本實驗採用的實驗室法為熱探針
為了保證測試資料分析的準確性，應保證換熱
法【４ｊ，即將熱探針插入待測樣品中，利用熱探針加熱過程達到準穩態傳熱（），在資料分析中將開始測
待測樣品，通過對樣品溫度隨時間變化的分析得到待測樣品的熱物性引數。將探針當作理想線熱源，
不考慮探針的尺寸大小和熱物性的影響，當處於平衡狀態埋於無限大均勻介質中的線熱源有恆定熱流
發生時，在距離ｒ處的溫公升可由以下時間函式表
示［５］：
２＝ｔ—ｔｏ＝巨（一）（１）
式中，為過餘溫度，。【＝；ｒ為加熱時間，ｓ；ｑ為線熱源強度，ｗ／ｍ；為介質導熱係數，ｗ／（ｍｋ）；口為熱
擴散率，ｍ２／ｓ；ｒ為某點到線熱源的距離，ｍ；ｔ為ｒ時刻的溫度，ｏｃ；￡０為初始溫度，ｏｃ；ｅｌ為指數積分函
數。在給定線熱源ｇ的條件下，只要測出探針溫度ｉ隨時間對數ｉｎｒ變化的線性關係，即可得到被測介質的導熱關係。１．２現場測試法
現場測試法又叫現場熱響應測試法，是在向地埋管換熱器載入熱（冷）量的情況下，通過土壤的響應反映到地埋管換熱器的進、出水溫度的變化上，進
而反演求解土壤熱物性引數的方法【６ｊ。求解過程中使用的換熱模型主要有線熱源換熱模型【２］和柱熱源換熱模型［３ｊ。
１．２．１線熱源換熱模型法
線熱源模型是目前普遍採用的土壤平均導熱係數的計算模型［２，２ｊ線熱源理論把地下換熱器的中心
軸視為線熱源，以中心軸向四周傳熱，只有長度量，
沒有面積量，計算簡單。但線熱源在計算過程中忽略了一些因素，導致最後結果不準確【７］，且不能計算
出土壤的容積比熱容。
弓㈤＝【ｈ（）一
其中，（ｔ）為隨時間變化的地埋管換熱器進出水平均溫度，℃；ｑ為單位延公尺地埋管換熱器換熱功率，，ｍ；．＝ｉ為土壤平均導熱係數，ｗ／（ｍｋ）；口為土壤平均導溫係數，ｍ２／ｓ；ｒ為鑽孔半徑，ｍ；ｙ為常數，０．５７７２；為鑽孔內熱阻，（ｍｋ）；為土壤初始平均溫度，℃。
試前１０ ｈ的資料捨去，以滿足準穩態的要求。
穩定熱流測試是利用測試裝置向地埋管換熱器
提供恆定熱流，通過監測地埋管換熱器的進、出水溫度的變化和流量資料，對資料分析處理計算後得到
土壤的平均導熱係數。淺層地熱測試儀工作原理見
圖２。圖２淺層地熱測試儀工作原理
式（２）中的口值應該取地埋管換熱器的換熱功
率，而不是電加熱器的電功率，且地埋管換熱器的換熱功率的值取為測試開始１０ｈ之後至測試結束時間段內的平均值。將穩定熱流測試中的地埋管換熱
器進、出水平均溫度資料做成對數曲線圖，並將其擬合為式（３）的形式，通過曲線擬合結果可計算係數ｋ。將ｋ代入式（４）可計算土壤導熱係數。１．２．２柱熱源分層換熱模型法
ｃａｍｌａｗ等［］的柱熱源傳熱模型是把地下埋管看作是乙個具有一定半徑的理想圓柱導體，以恆定的放熱率向周圍無限大、常物性的土壤散發熱量，並給出了某時刻，距離柱熱源軸線處的土壤溫度表示式。一＝
ｇ（，ｐ）（５）
ｇ（ｚ，ｐ）＝
）ｙｌ（）
一（６）
其中，ｑ為加熱功率，ｗ；為傅利葉數，＝ ；ｐ為
８２將每一層整理後的資料，通過ｍａｌｆａｂ兩參法進ｔｉ行最／ｂ－乘法擬合求解，最後分別得出每一層土壤等已知量
ｎ，ｔｏｕｔ，ｑ．乙ｒｓｐｓｃｓ的初始值
設定與取值範圍
的導熱係數如表２。
３３．５ ｒ
３２．５｝ｉｌ
簡化柱熱源傳熱模型，計算出流體平均溫度ｔ
寇ｐ３１．５｝ｉ
整計算出ｔｃａｌｉ和ｔｅｘｐｉ的方差以及
贈３０．５．
ｆ＝ⅳｚ（￣
—．一第９層
ｉ＝ｌ２ ５
＿．一第１ｏ層一
第１１層
２８．５ｌ
一一一＋
判斷方差和ｆ是否最小
５０ｏ１５００
２５００第第第第１１
ｌ１３５００
４５００
測試時間／ｒ２３４ ５
層層層層
ａｉｎ圖６柱熱源分層穩定熱流測試
＜ 竺竺竺）
＋ ＋一一一一＋ 一
圖７ ｍａｆｌａｂ程式流程圖
第第第第第第第第表２不同地層導熱係數
層層層層層層層層
對所得資料進行加權平均，求得地下１４．．８９ｍ
將地埋管看成具有一定半徑的理想圓柱導體。線熱處的土壤綜合導熱係數：
源換熱模型與柱熱源換熱模型相比，在模型上存在ｌ５一
∑ ｉ×厶
定缺陷；
．＝ｉ＝
（７）（３）通過表２可分析，ｕ型管周圍的土壤是均勻
的。分層熱物性測試獲得地下土壤導熱係數曲線，其中，為１４～８９ｍ處綜合導熱係數，ｗ／（ｍｋ）；厶可從地下土壤導熱係數曲線上分析出導熱係數異常為每一層土壤深度，ｍ；ｌ為計算土壤總深，ｍ。
大的地層通常就是地下水滲流地層；
最終求得地下土壤１４～８９ｍ處的土壤綜合導熱
（４）由於地表面溫度受到環境以及氣溫的影響，
係數為熱擴散率為５．８５．１１６×
地表面土壤溫度較低，分層柱熱源模型在計算上將
１０ 』ｒｓ。
地表面至地下１４ ｍ捨去，最後計算出的結果由於不２．３結果分析
受外界環境影響，可以更客觀地描述了地下土壤熱通過最後試驗資料對比，３種方法計算出的最物性真實的分布情況。最後計算出的土壤綜合導熱
終土壤導熱係數為：實驗室法線熱係數比使用線熱源模型計算出的土壤導熱係數高
源換熱模型法柱熱源換熱模型１２．６３２％。
法造成的主要原因是：
３結論（１）實驗室法測試使巖樣脫離了原來的狀態，同（１）通過比較不同方法得出的土壤熱物性，實驗
一種岩性地層，在不同地質條件下的導熱係數相差室法最終得出的結果與現場測試法相差較大；
很大，不同的埋管方式、填料以及地下水徑流都會影
（２）地埋管分層熱物性測試模型與線熱源熱物響導熱係數的真實性。通過實驗室法求得的平均導
性測試模型相比，分層柱熱源模型考慮到地埋管實熱係數比線熱源換熱模型法測試求得的平均導熱系際尺寸半徑對換熱的影響。並地埋管被分層計算數低３２．７２３％，比分層柱熱源換熱模型求得的平均後，其長度與埋管半徑之比減小，線熱源模型將更加導熱係數低４０．２６８％；
不適用；
（２）常規使用的土壤熱物性測試採用線熱源模（３）通過土壤分層熱物性測試，將地下土壤分為
型，將整個地埋管看成一條直線，忽略了地埋管自身若干層，分別計算得出不同土壤層的導熱係數，可更
的半徑尺寸對換熱過程的影響。而柱熱源換熱模型
（下轉第８９頁）
８９離氧化鈣（，一ｃａｏ）。
不規則橢圓形，電爐渣的鈣矽相多呈長板形狀；轉爐
表４鋼渣３各物相的日】ｓ結果（質量分數）％渣和電爐渣的鈣鐵相均以延伸的狀態分布在其它物
元索ａ３相
無規則形狀，尺ｏ鵬
島相ｑ相
瑚ｄ３相
相相之間，ｒｏ相主要分布在鈣鐵相內，寸大小不一；ｌｆ精煉渣的鈣鋁相以及含硫鈣鋁相也ｓｉ
∞玎∞釔
以連續延伸的無定形狀態分布；渣中游離的ｃａｏ和ｃａ
ｍｇｏ多為獨立分布，無規則形狀；ｌｆ精煉渣中還存ｍｇ
舶孫ｍ恕盼．
在少量呈棒狀聚集狀的ｃａｓ。
參考文獻
ｓ［１］梁柏勇．氧氣煉鋼發展的印年［ｎ］．世界金屬導報，２０１４一
由表４可知，鋼渣３的ａ３相為鈣鋁相，一
一成一一
且固溶１８（ｂ０ｂ）．
入少量的ｍｇ和ｓｉ；相為復合含硫相，主要組成也［２］趙秀清．ｌｆ精煉法的發展［ｊ］．大型鑄鍛件，１９９６（３）：
是固溶了少量ｍｇ和ｓｉ的鈣鋁相，但是物相中含有
４２—４６．
一定量的ｓ；ｃ３相的主要組成為鈣矽相，∞ ．．．一
～固溶人少量
的ｍｇ和ａｉ；ｄ３相為渣中游離的氧化鎂；ｅ３相為單
髓ｅ魚獨存在的ｃａｓ。［４］黃亞鶴，劉承軍．電爐渣的綜合利用分析［ｊ］．工業加
３結論熱
（１）轉爐渣和電爐渣屬於高鹼度、氧化性渣，主［５］呂寧寧。於景坤，蘇暢．ⅱ』爐精煉廢渣迴圈利用的研究要物相組成較為相似，為一ｃ２ｓ、鈣鐵相（ｃ２ｆ）以及進展［ｊ］．中國冶金相，但ｒｏ相的成分不同；ｌｆ精煉渣屬於高鹼度、作者簡介
昊啟帆。男，１９８９年生，碩士研究生，主要研究方
還原性渣，主要物相組成為ｙ—ｃ２ｓ、鈣鋁相（ａ，向為鋼渣資源化利用。
ｃ１２ａ７）以及ｒｏ相。
包燕平。男，教授。主要研究方向為低成本潔淨鋼的生產（２）轉爐渣和ｕ＇精煉渣的的鈣矽相多呈圓形或
與鋼渣費源化利用。
（收稿日期
（上接第８２頁）
好地確定地下土壤熱物性引數。分層熱物性測試柱［４］楊文兵，丁雲飛，官玲俊．熱探針法測定含溼土壤的導熱熱源模型不僅可提供地下土壤導熱係數，還可提供係數［ｊ］．製冷空調與電力機械容積比熱容，可為地源熱幫浦地埋管換熱器設計提供［５］候方卓．用探針法測定材料的導熱係數［ｊ］．中國石油大更精確的引數，還可降低地源熱幫浦系統的初投資。學學報：
自然科學版
因此分層熱物性測試優於傳統線熱源模型測試以及［６］楊清，張濱山，付向峰．地源熱幫浦系統土壤熱物性現場測
柱熱源模型測試，具有很好的發展前景。
試法分析［ｊ］．工程建設與設計參考文獻
［７］趙軍，段徵強。宋著坤。等．基於圓柱熱源模型的現場測量［１］噌甑湖
地下岩土熱物性方法［ｊ］．太陽能學報
９３６．
伽商嘲ｉｎｃｅ ｏｌｌ
地源熱幫浦系統工程技術規範區域性修訂
吼ｌｂ嘲
．鷗嘲齜
作者簡介韓斯東，男，１９８９年生，碩士研究生，主要從事地
細源熱幫浦應用技術研究。
金光。女。１９７０年生，碩士研究生導師教授，主要從事可
［３］ｃ日
再生能源建築應用技術及工業熱過程創新研究。
（收稿日期
地源熱幫浦岩土熱物性測試報告
某專案地源熱幫浦工程 巖土層熱物性測試報告 同方節能工程技術 二00九年七月 目錄第一章巖土層熱物性測試報告 第二章測試孔地質報告 第一章 巖土層熱物性測試報告 一 工程概況 該工程位於河北省石家莊市正定縣燕趙北大街，北緯38.16，東經114.56。我公司對地埋管場地進行了測試孔勘測及深層岩土熱物...
詳細地源熱幫浦
地源熱幫浦技術原理 地源熱幫浦是一種利用地下淺層地熱資源 也稱地能，包括地下水 土壤或地表水等 的既可供熱又可製冷的高效節能空調系統。地源熱幫浦通過輸入少量的高品位能源 如電能 實現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱幫浦供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量 取 出來，提高溫...
地源熱幫浦細則
一 監理依據 建築給水排水及採暖工程施工質量驗收規範 gb50243 2002 通風與空調工程施工質量驗收規範 gb50243 2002 建設工程質量驗收統一規範 gb50300 2001 建設工程資料管理規程 dbj01 51 2003 地源熱幫浦系統工程技術規範 gb50366 2005 水源熱...