上海地区地源热泵系统岩土热物性参数测试分析

金宗川

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200093）

地源热泵所利用的是地表浅层热能，主要来自于地下水或者土壤中所蕴涵的热能，通过输入少量的高位能源（如电能）将低温位能向高温位能转移或高温位能向低温位能转移，以实现既可供热又可制冷的高效节能空调系统。

上海市地下水位高，属典型的饱和软土地区，浅层约130m深度范围内的地基土主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成，地下岩土层温度场平均地温保持在16～20℃左右，其蕴藏的地热资源相对较为丰富。地源热泵系统主要通过循环介质在封闭的地埋管中流动，以利用地下土水中储存的热能，实现系统与大地之间的热能交换，以利用地下清洁能源。

岩土体热物性参数是地埋管地源热泵系统设计的重要依据，一般可利用简化模型数值计算、经验估计及热、冷响应试验获得。由于地下岩土体的复杂性，不同岩土体的热物性参数相差较大。目前国内外岩土体热物性参数测试应用较多的方法是恒热流法（恒定功率）及恒温法（恒定温度）模拟夏季、冬季工况进行原型试验，以得到较为可靠的岩土体热物性参数。

上海地下温度场沿深度有一定的变化，受不同区域地层组合的影响，地热资源的利用有一定的差别。在饱和深厚的软土条件下采用单U、双U，串联、并联的地埋管选型和埋设方式对换热性能也有一定的影响。对热物性测试参数的合理分析和利用，对指导地源热泵设计和提高地热

利用效率具有重要意义。

1 测试原理

地埋管地源热泵系统的换热是一个三维非稳态传热过程，计算过程十分复杂。而实际工程中较多采用简化了的线热源模型。假定钻井处于不受热扰动影响的温度场内，且经过一定的时间，可得到钻井散出热量的热扩散率，则可用简化了的线热源公式计算土壤导热系数，通过测量温度、流量进行反向推算土壤传热性能。其基本原理如下[1-2]：

式中，E1为指数积分，实际测试中 相对于r往往很小，故t可近似为：

其中欧拉常数r= 0.5772。

测量土壤热交换器中流体的温度，得到流体和钻孔壁面温度的关系式：

故流体温度随时间变化的函数式可以写为：

通过计算温度与自然对数时间曲线的斜率 可以得到温度的响应规律：

其中Tf为管内水的平均温度，℃；Tb为钻孔壁面温度，℃；T0为岩土初始温度，℃；r为钻井半径，m；H为钻井深度，m；Rb为热阻，m·K/W；a为热扩散率，m2/s；t为测试时间，s；Q为换热功率，W。

其中C为常温下水的比热容，为4.1868 kJ/kg·℃；G为地埋管内水的流量，m3/s；ρ为循环液的密度，水的密度为1000 kg/m3；ΔT为进出水温差，℃。

2 测试方法简述

利用上述测试原理，按图1所示的地源热泵测试系统流程图，选用相应的测试设备并进行地埋管原型地源热泵热物性参数的测试工作。

图1 地源热泵测试系统流程图Fig.1 Chart of ground source heat pump test system

地源热泵地埋管周边回填材料主要采用膨润土与水泥混合物孔底压浆封填，上部采用黄沙人工回填。循环系统采用水作为流动介质。模拟冬、夏两季的原型地源热泵测试工作在埋管安装完毕至少48小时后进行，两次试验间隔48小时以上。

模拟夏季空调制冷试验时，采用恒热流法（恒定功率）热响应测试，通过控制加热量、水压力及水流量，保持加热功率恒定，使系统达到稳定后的温度控制在35～37℃左右，流速控制在0.5～0.7m/s，连续测试时间不少于48小时。

模拟冬季空调制热试验时，采用恒温法（恒定温度）冷响应测试，通过压缩机制冷和冰块辅助制冷，控制进水温度保持在5～7℃左右，流速控制在0.5～0.7m/s，并连续测试，直至进出水温差达到稳定，连续测试时间不少于48小时。

3 地下温度场的测量分析

对地下岩土体初始平均温度的测量采用外置铂电阻温度传感器，温度误差控制在±0.1℃，传感器和导线按深度定位绑固在地埋管的外壁表面，通过在预定深度埋设温度传感器，实现对地下岩土体任意深度的温度测量，同时可以对后期系统运行期间的温度场进行监控。

统计上海地区多个地源热泵测试的岩土体初始温度测试结果，其随深度分布散点图见图2。

从图2分析，地下岩土体初始温度随深度具有线性增加趋势，在不同深度段呈现不同特点：

（1）地下约0～4m深度段受太阳辐射、大气温度和人工活动影响较明显，平均温度约为16～18℃，24小时测试周期内有一定的温度变化，一年四季受气候变化也有温度变化。

图2 岩土体初始温度随深度分布散点图Fig.2 The distribution plot of temperature of underground with depth

（2）地下4～30m深度段，地下年平均温度基本保持为17～18℃，受外热层和深部地热层影响，岩土体平均温度具有一定的离散性。

（3）地下30m以下深度，岩土体温度达18～20℃，由于其热能基本来自地球内部，随着深度增加，温度逐渐升高。

通过对地下岩土体初始温度和温度场的实际测试分析，对其主要影响因素有如下讨论：

（1）测试误差：岩土体初始平均温度测试对地源热泵系统运行至关重要，其测量结果受测试仪器精度、测读误差等影响。地下岩土体温度在一个测试周期内，是一个相对稳定值，在测试中对于数据变化幅度较大的测温点，应分析其可能受到的场地及周边环境的影响，剔除场地内或周边短时间异常情况的影响，以确保测试结果的准确。

（2）地下水流动：地下水的流动可以改变周围土体的温度场。在上海地区地下水土处于饱和状态，在周围无人工引起的水力坡降情况下，一般可不考虑地下水的径向流动，相应对地埋管周边温度场无影响。但在受周边工程降水、地下水水力联系影响下，其对地埋管周边温度场有一定的影响。

（3）地埋管周边温度场：在某工程的地源热泵测试过程中，在距离试验地埋管1m、3m处分别设置监测孔T2和T3，并分别在8m、40m深度处埋设温度传感器，监测地源热泵地埋管在试验放热、吸热过程中岩土体的温度场变化情况，测试结果见图3。

地埋管在48小时放热、吸热过程中监测点的温度基本保持恒定，地下岩土体的温度场并没有变化，主要原因是本次单孔测试放热量、吸热量小，且运行时间相对于地源热泵系统后期常年运行而言相对较短。根据已有研究成果，在经过地源热泵长期放热和吸热情况下，地下温度场会发生一定的改变。长期间歇运行的竖直地埋管的热干扰距离一般在3m左右，当地埋管间距达到6m时，基本已无热干扰影响。

图3 地埋管放热(a)与吸热(b)过程中温度场的变化Fig.3 The variation curves of temperature during heat (a)and cold (b) release process of buried pipes

4 土层结构及性质对换热性能的影响

研究表明：土层结构和含水性能对地埋管换热性能具有直接影响。根据不同土层结构和含水量的导热系数测定，一般饱和的砂土导热性能要高于干燥的砂土，含水量高的黏性土导热性能要高于含水量低的黏性土，颗粒粗的砂土导热性能要高于颗粒细的砂土，因此不同的地层组成和含水量对测试结果影响较大，往往不同地区的测试结果差异反映了不同地区的土层结构和含水性能差异。

上海地区考虑地埋管成孔、埋设、经济性等因素，地源热泵的利用深度一般在80～120m左右，在此深度范围内地层组成根据其土层特点、成因类型、土层性质等分成两个地质分区：即正常地层沉积区和古河道地层沉积区，两种分区的标志土层是有无第⑥层暗绿色粘性土分布。研究两种地质分区地源热泵换热性能还在于不同分区土层结构、土层性质对换热性能的影响。

图4所示是正常地层沉积区和古河道地层沉积区的两种典型代表土层。对正常地层沉积区130m地埋管深度范围内饱和粘性土厚度为28m，饱和粉（砂）土厚度为102m，土层导热系数的当量值为1.662W/m·K。对古河道地层沉积区106m地埋管深度范围内饱和黏性土厚度50m，饱和粉（砂）土厚度为56m，土层导热系数的当量值为1.595W/m·K。

正常地层分区和古河道分区的地层组成主要区别在于饱和黏性土和饱和粉（砂）性土在全孔深度上的占比不同，相应全孔深度的导热系数当量值也有所差别。但由于上海地区自上而下土层基本处于饱和状态，饱和黏性土随含水量增加、孔隙比变大情况下土层导热系数的变化并不明显，饱和粉（砂）性土随含水量增加、孔隙比变大情况下土层导热系数稍有增大的趋势。

表1中相对应上述两种不同分区的I2、I6工程实测单U地埋管地源热泵测试单位延米换热能力分别为64W/m和64.6W/m，两者差别不大，说明在上海地区虽然不同地质分区土层组成、土性差异，但由于地下土层丰富地下水的存在使地源热泵测试单位延米换热能力的影响并不显著。

5 地埋管埋设及选型对换热性能影响

地埋管是地源热泵利用地热资源主要采用的技术手段，是地源热泵设计的重要组成部分，也是设计需要重点考虑的因素。目前地埋管主要采用聚乙烯管（PE100），管外径一般在Φ25～Φ32mm，分单U和双U地埋管类型，双U情况下分串联和并联两种类型（图5）。

图5 地埋管示意图Fig.5 Sketch map of buried pipe

将上海地区完成的多个工程地埋管地源热泵测试成果汇总如表1所示。

5.1 单U和双U的选型分析

表1中I2工程对比测试了单U和双U两种地埋管类型地源热泵换热参数，测试孔1＃及2＃距离6m，地层组成一致，埋设方法相同。对1＃孔及2＃孔进行了热性能测试，测试曲线见图6。试验计算得到127m深的单U、双U型地埋管每米孔深的平均换热能力分别为64.0W/m、73.7W/m。

表1 地埋管换热性能测试成果汇总表Table 1 Summary of the test results of the heat transfer performance of the buried pipe

图6 放热过程进出水温度曲线Fig.6 The curves of inlet and outlet temperature during exothermic process in single U pipe (a) and double U pipe (b)

在相同的钻孔深度、地层组成情况下，由于双U型管增加了孔内的传热面积，使孔内传热热阻降低，导热系数增大，根据本次实测双U型DN32管导热系数比单U型DN32管大27.9%。同一测试条件下，双U管较单U管单位管长换热能力提高约15%左右。

对比相同测试条件下的多个工程双U、单U管的测试成果，虽然双U管得到相对较高的单位管长的换热能力，一般提高约10%～15%左右，但是相应增加了较多的管材，同时成孔成本和埋设难度增加，在技术和经济性能上没有非常明显的优势。

5.2 地埋管不同规格的影响

表1中Ⅱ3工程对比相同地层、相同测试条件下DN32单U管较DN25单U管的换热性能，理论上管径大增加了孔内的传热面积，使孔内传热热阻降低，根据计算单U型DN32管传热面积比单U型DN25管大21.5%，测试结果单位管长换热能力提高约5～10%左右。增加地埋管的换热面积提高其单位管长换热能力是地源热泵设计提高地热利用的一种方法。

5.3 地埋管的埋设深度影响

表1中多个工程在地层组成类似，地埋管选型相同情况下，地埋管的埋深不同，对比其地源热泵的换热性能测试结果，一般地埋管埋深越大，相应平均单位孔深的换热能力越大，主要原因：上海地区深部（约70～130m）土层以第⑨、⑩、⑾层密实砂土和硬塑粘性土为主，相应土层导热系数高，换热能力强。另外地埋管埋设深度增加了换热介质在地埋管中流动时间，提高了换热能力。

地埋管的埋设深度受不同地区土层差异、施工工艺、施工效率和成本限制，上海软土地区一般地埋管埋设深度在80～110m左右较为合理。

6 结论

地源热泵热物性参数主要通过恒热流法热响应及恒温法冷响应测试得到，本文通过对上海地区多个工程的地源热泵热物性参数测试结果，结合上海地区土层构成、土性特点、地下水条件、地埋管选型等进行对比分析，对指导地源热泵设计和地热资源有效利用具有重要的指导意义。

上海地区蕴藏的地热资源较为丰富，在0～120m深度范围地下岩土体初始温度在16～20℃，随深度具有线性增加趋势，在不同深度段受太阳辐射和深部地热影响呈现分层特点。地下岩土层的温度场受周边人工降水、水力联系等影响，地埋管地源热泵长期运行情况下会引起地下岩土层周边温度场的改变。

上海是典型的饱和软土地区，分正常地层和古河道地层沉积区，不同地质分区内土层结构、土层性质不同其导热系数也不同。但由于上海地区自上而下土层基本处于饱和状态，饱和黏性土、粉（砂）性土随含水量增加、孔隙比变大情况下土层导热系数的变化并不明显。地下土层丰富地下水的存在使不同地质分区地源热泵测试单位延米换热能力的差别不明显。

在饱和深厚的软土条件下，根据多个工程的地源热泵测试结果对比分析：相同测试条件下的双U、单U管的测试成果，单位管长的换热能力提高约10%～15%左右。相同测试条件下DN32单U管较DN25单U管的换热性能，单位管长换热能力提高约5%～10%左右。上海地区采用单U或双U并联，埋深80～110m左右的地埋管较为经济合理。