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
2、壤的热物性参数都是土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：Soil and Rock Classification for the Design of Groun
3、d-coupled heat pump Systems Field Manual；以及国际热泵协会（IGSHPA）编写的手册：Soil and Rock Classification Manual 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
4、热物性不仅与地理位置以及当地地层构造有关，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，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
5、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
6、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
7、.3 功率测量：采用脉冲电度表，百分数误差限：1.52.2.4 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)4QPkmL式中：P功率；T2注 ：T1、 2、 流 量 计 、 电 加 热 器均 连 接 到 电 脑 进 行 数 据 采 集接 U型 管 P21水 泵1补 水 装 置 T电 加 热 器接 电 源 P流 量 计温 度 计压 力 表放 气 阀温 度 传 感 器图 例 ：P3 截 止 阀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
8、录误差和测量误差组成，则根据误差分析理论，导热系数的相对误差为：(1-2)0.522kEhNL 式中： 读数误差； 时间记录误差； Eh功率测量误差； 实际测量误差NL导热系数计算误差。k根据以上介绍的各测试仪表的精度，可以得知：读数误差1.5、时间记录误差0.1和深度误差1.912；但是要获得功率测量的误差，则需通过实验数据来计算，如图 2：功 率 变 化 曲 线0.00.51.01.52.02.53.03.54.00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140测 试 时 间 （ hr）功率（kW）图 2 功率误差的确定由图 2 可以看出，功
9、率主要在 1.952.10 kW 内变化，其平均值为 2.084kW，通过计算，功率的误差变化范围为-6.400.80，故选择其中的最大误差即 6.40作为功率的测量误差， 则大地导热系数的相对误差为： 0.5220.15.0.64(.19)6.8%k 3 现场测试3.1 工程概况及钻孔参数实验测试地点位于北京工业大学制冷及低温实验室附近，专门为测试导热系数实验而建。测试地点距离土壤导热系数测定仪约为 5m 左右，根据前期钻井获得的资料，得知此地层主要为砂质土壤，地质结构见表 1，其导热系数主要在 0.42.4 W/(m)范围内变化。未扰动的土壤温度为 16.5。实验钻孔深 52.3m，钻孔直
10、径为 180mm，单 U 型管。管材采用的是高密度聚乙烯管（PE100） ，导热系数为 0.42W/(m)，外径 32mm，内径 26mm。回填料使用的是一定比例的砂子、水泥和膨润土的混合物，导热系数在 0.32.0 W/(m)范围内。表 1 实验地点土壤状况地层名称 砂质粘土 粘质砂土夹细砂含砾粘土 粗砂含砾 粗砂 含砾粘土层底深度m 7 20 35 60 70 80地层厚度m 7 13 15 25 10 10导热系数W/(m) 0.41.0 0.42.4 0.92.3 0.41.8 0.42.4 0.92.33.3 测试结果分析3.3.1 温度对比为减少水平管段散热造成的影响，此次测试将测
11、试仪器放置在距离钻孔 5m 左右的地方，并且全部用 3cm 厚的橡塑管保温。在地平面下 1m 处，即垂直管路与水平管路相交的地方，进/回水管内设置了两个温度传感器，用于同仪器上设置的传感器记录的温度变化作比较。经过 5 天的运行，将仪器和管内这两组传感器记录的温度变化绘制成曲线，得到的温度变化如下图 3：图 3 仪器和管内温度对比从图 3 中可以看出，仪器上设置的进/出水传感器的温度变化同管内进/出水传感器的温度变化几乎完全一致。通过计算，这两组传感器的温度变化相差在 0.25范围内，在传感器的误差范围之内，故而在此次实验中，水平管段的热量散失可以忽略不计，并且在以下导热系数的计算中，可以完全
12、使用仪器上的传感器记录的温度变化来估计大地导热系数。3.3.2 测试结果 实验从 2006 年 3 月 20 日到 3 月 26 日完成对此钻孔的测试，通过分析测试结果如下：根据线热源模型估计导热系数的方法 【2】 ，由图 4 可以看出，温度曲线的对数趋势线的函数为：温 度 对 比051052053054051023045067089010123014测 试 时 间 （ hr）温度（） 进 水 温 度 （ 仪 器 ）回 水 温 度 （ 仪 器 ）进 水 温 度 （ 管 内 ）回 水 温 度 （ 管 内 ），其中 ln(x)的系数为 2.7511，则梯度 m=2.7511；又知钻孔深度2.751
13、ln()24.5yxL52.3m，P2.084kW，根据导热系数的计算公式，得到：W/(m)2.0841.53475QPkmL所以通过测试得到的导热系数为 1.153 W/(m)，相对误差为6.85，其结果符合此种类型土壤导热系数的变化范围。线 热 源 模 型 梯 度 确 定y = 2.7511Ln(x) + 24.245R2 = 0.996505101520253035400 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140运 行 时 间 （ Hour）管道平均温度（）平 均 温 度对 数 (平 均 温 度 )图 4 温度梯度的确定 3.3.3 温
14、差分布为了解地下侧管道内部的流动情况，我课题组在管道内部设置了一定数量的温度传感器，经过分析我们发现：系统的温差变化主要集中在进水管侧，即流体进入地下侧的管道。系统温差分布见图 5：从图中我们可以发现，进水管的温差占到系统总温差变化的 72，由此我们建议：在系统设计时要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。 图 5 系统温差分布 4 结论4.1 利用线热源模型估算导热系数，又称为热反应实验法，通过实验得到的实验结果符合此种类型土壤导热系数的变化范围，验证了仪器和方法的基本有效性。也是确定土壤热物性的最佳方法。4.2 本文在录用时测试精度为6.85，在文中所指
15、的未扰动土壤温度和给定回填料以及 PE 管材的条件下，导热系数为 1.153 W/(m)。4.3 到目前为止，测试精度已达到2。本实验结果将另文发表。4.4 系统的温差变化主要集中在进水管侧（72） ，即流体进入地下侧的管道，由此我们建议：在系统设计时要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。参 考 文 献1 王补宣多孔介质的传热传质清华大学学报（自然科学版） ，1992.5，Vol. 32 增 1 期温 差 分 布 图回 水 管温 差20%U型 接 头温 差8% 进 水 管温 差72%2 王婧,于凤菊,丁良士关于大地导热系数的测试全国暖通空调制冷 2004 年学术年会论文摘要集2004 年 8 月，p.252，全文见光盘版。
