引言

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。对其进行持续分析研究，并进行了多项配套工程的中试研究。

大地导热系数，是设计土壤换热器很重要的参数，它包含了土壤，回填料，以及塑料管壁等综合的导热系数；国外研究人员通过实验测出土壤和岩石两类的导热系数^[1]，其数量级可以由0.4 W/(M ℃) 至6.0 W/(M ℃)；且随其密度及湿度不同；在提高回填材料的导热系数上，也进行了多方面的实验改进；经我们测算^[1]，在常用的范围内，大地导热系数若增加一倍，所需要的垂直地埋管长度，可以减少20% 以上；由于设计人员只能在某种土壤或岩石导热系数范围内，采用较低值，导致设计钻孔的数量比实际需要的多，增加了项目成本。进行大地导热系数的现场测试，目的就是降低这种综合的不确定性。为土壤换热器提供更经济的设计。

1 现场测试的原理和设备：

1.1 测试及计算的基本原理：

为了进行大地导热系数的现场测试，应在要进行实测的地方钻一个孔，安装好管路，填好回填料，将管路中循环的水与一个恒定的热源相连，测量输入功率及进出口水温。掌握了这些值，就可以通过一个实际的模型得到导热系数。

在这个模型中，假定钻井周围的构造都处于不受热扰动影响的温度场内，且经过一定的时间，可得到向钻井散出的热量的热扩散率，满足了这些条件，就可以应用简化了的线热源公式。该公式形式如下面^[1]式（1）----式（5）所示：

　　　　(1)

式中： T——流体温度，k; Pi—常数，3.14159;

A——常数; k——导热系数，W/m•K;

Q——热传导率，W; t——时间，h;

式(1)中的温度T，可用地埋管进出口液体温度的谐和平均值，见式（4）；经过变形化简后，式(1)可以得出用来求导热系数k的式子^[1] ：

　　　　(2)

式(2)中:

　　　　(3)

C_p——流体的比热容，

水：4176J/(Kg•K)，质量百分比为25%的防冻液：3831 J/(Kg•K)

ρ——流体的密度，

水：1000Kg/m³，质量百分比为25%的防冻液：1030 Kg/m³

q ——流量，m³/s

T_in 、T_out ——U型管进出口流体温度(℃)

Depth-------指钻孔中从U型管底部至地表的距离，m。

Slope-------该值确定方法如下：

绘制管道平均温度—时间曲线: 　　　　(4)

绘制半对数调和曲线 ：

• y轴为管道中流体的谐和平均温度值
• x轴为时间的自然对数

定义梯度为: 　　　　（5）

式(5)中：脚码1为图中的曲线部分开始形成直线的时间，

         脚码2为接近常数热量测试阶段末期的时间。

1.2 测试设备及其选择：

见图三，图四：

1.2.1 热泵－水箱式.

图3中，将温度传感器T1,T2等接入数据采集系统之中，通过设定，每隔一段时间采集一组数据，系统运行时，应保证通过U型管的流量恒定；并可以做吸热和散热两种工况；冷热源由热泵直接提供，或通过水箱提供。

1.2.2 电加热式

图4中，给定T1和T2的温差，通过调节电加热器的输出功率达到此指定温差。同时也可以通过系统来现场测量单个钻孔的其他特性。但是本方法只能测定散热工况。对于导热系数来说，散热和吸热应该有同样的结果。

1.2.3 电加热式与热泵－水源式相比较

电加热式不仅更为小巧、轻便，更易于搬运。并且，测试数据容易稳定；热泵－水箱式测试装置系统，可以在低温下测试吸热工况；但是测试数据不容易稳定；

2 现场测试的数据处理：

现举例说明： 通过电加热，测试装置得到某砂层地况现场测试的数据，利用1.1中所述方法绘制出其相应的T－lnt 数据曲线，见图5。图中状态1坐标为(1110，19.51697)，状态2为(2350，20.20923)。系统流量q为0.6m³/h，流体为质量百分比为25%的乙二醇水溶液，密度为1030Kg/m³，比热为3.831KJ/Kg·K，流体进出口平均温度分别为17.48695℃和20.97674℃。地埋管深度为90m 。

土壤源导热系数测试数据对数曲线，见图5，

图5 土壤源导热系数测试数据对数曲线

计算大地导热系数如下：

吸热量：= 2.295(KW)

温度梯度： ＝ 0.23K

大地导热系数： ＝2.2W/m·K

通常砂质土壤地层的土壤导热系数的范围在：1.0～2.4 W/m·K，所得数据符合这一范围，

结论

1．测试要在未曾投入运行的钻孔中进行，以保证土壤处于未受热干扰的状况下，保证获得数据的准确性；在这种条件下，测试结果是可靠的；

2．测试需要不间断的运行几个昼夜或一段时间，因地质状况和热状况的影响来决定。

参考文献：

[1] Introduction to in-situ thermal conductivity testing ; In-Situ thermal Conductivity Testing Concept; From http://www.igshpa.okstate.edu/

[2] Henk J.L. Witte, Ph.D., Guus J. van Gelder, Jeffrey D. Spilter , Ph.D. , P.E. In Situ Measurement of Ground Thermal Conductivity: A Dutch Perspective. ASHRAE Transaction. 2002,108