四川绵阳安州区某场地岩土热物性研究

杨苗林，田恒召，袁小清

四川绵阳安州区某场地岩土热物性研究

杨苗林1，田恒召1，袁小清2

（1.四川省地质矿产勘查开发局九0九水文地质工程地质队 四川 绵阳 621000；2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，成都 610000）

岩土热物性系数是地源热泵研究中的重要参数。本研究基于四川绵阳市安州区某场地的现场热响应试验，通过分析现场采集的数据得出：研究区地岩土的初始温度为17.7℃，岩土土壤平均综合导热系数为1.91 W/(m·K)，钻孔内的热阻为0.36 m·K/W。通过该试验，可以为研究区地源热泵的设计提供依据。

岩土热物性；现场测试；四川绵阳；安州

目前越来越多的人关注浅层地温能的利用，其中地源热泵在空调系统中的利用也日趋普遍。岩土热物性系数是地源热泵系统中不可或缺的参数。国内外，可用于确定地下岩土热物性的方法主要有：稳态平板测试法、探针法、土壤类型辨别法及现场测试法[1]。前三种方法均存在不同程度的误差，与现场实际相差较大。因此为能准确地获得地下岩土的热物性参数，进行现场岩土热物性测试是最直接有效的方法。本文以四川绵阳市安州区某场地的现场热响应试验为例，进行现场岩土热物性测试，发现研究区岩土土壤平均综合导热系数较高，适宜做地源热泵系统，可为研究区内地源热泵的设计提供依据。

1 绵阳地区地质构造特征及水文地质特征

研究区位于四川绵阳市安州区，地处龙门山褶断带与四川盆地相接的部位，受该地质构造条件的控制，该处地貌特征主要表现为西北部为龙门山山地地貌，东南部为四川盆地地貌，地势总体上呈西北高东南低。东南部的四川盆地以丘陵地貌和堆积平原为主；丘陵自西北向东南呈垄岗状延伸，构成安昌河水系与睢水河水系的分水岭；水系的两岸连续分布着宽广而开阔的砂卵砾石层堆积平原，研究区就位于该堆积平原上。

研究区地质构造简单，所处地势平坦，钻孔资料显示该区地层分布情况为（图1）：①第四系填土层，层厚约1m，杂填土；②第四系冲洪积物堆积层，层厚约26m，由地表往下依次为砂卵砾石夹粘土层、砂卵砾石层、卵砾石层；③基岩为白垩系剑阁组紫红色泥岩，层厚180~300m[2]。

图1 研究区钻孔柱状图

研究区地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。第四系含水层类型为潜水，含水层富水性极好，单井出水量（降深5m时）一般为3 000~5 000 m3/d，但地下水流速缓慢。基岩含水层类型为承压水，含水层富水性较差，泉流量0.01~0.5 L/s，地下水流速缓慢。

２ 热响应试验分析

现场直接进行热响应试验是获取地下岩土的热物性参数的有效方法，通过岩土热物性测试仪器采集数据，并对数据进行分析，以得出研究区的岩土热物性参数。

2.1 试验目的及原理

2.1.1 试验目的

通过测试仪器，对研究区的试验孔进行一定时间的不间断热响应测试，测得场地岩土的初始温度、岩土土壤平均综合导热系数、热阻参数等数据，为场地地源热泵系统的地下换热器设计提供相应的设计依据。

岩土的导热系数、比热容等参数随着岩土各层土质的不同而不同；地埋管换热器影响深度范围内的综合岩土导热系数和综合比热容，是工程设计最重要的参数，这一参数更能反映地埋管换热系统的换热能力[3]。

本次研究获得的参数是直接在地下钻孔换热器中进行测量的，现场试验综合考虑了地下不同岩土层的热物性及钻孔深度内地下水的影响等的其他周围环境因素的影响，其得出的数值更能真实的反应场地的岩土特征，为设计地下换热器提供依据[3]。

2.1.2试验原理

岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行取热还是加热试验，其导热系数、比热容等热物理性质不会发生改变[4] [5]。因此按照《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）中规定，采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行岩土热物性参数的测试[5]。

土壤热物性的测试方法主要有两种：“恒热流法”和“恒温法”[4]。本次测试采用“恒热流法”。“恒热流法”的原理是指采用恒定功率的电加热，记录地埋管进出口温度随时间的变化。

在ASHRAE手册中对恒热流法热响应试验作了相应的技术要求，规定岩土热物性测试的时间应为36～48小时[4]。加热功率应为每米钻孔50～80W，因为此功率大致为实际U型管换热器高峰负荷值[4]。

1.1.1 试验材料 2017年5月9日在浙江省杭州市临安区浙江农林大学平山试验基地种植徐薯22．每个小区面积3.6 m2,扦插60株,3次重复．8月5日开始采收,测定小区内的甘薯叶和叶柄,间隔10 d再进行一次采收,至8月25日,共采收3次;采收的甘薯叶片叶柄在45 ℃烘干至恒质量,粉碎,过90目筛，低温保存待测．

2.2 试验过程

2.2.1 试验准备阶段

根据设计规范要求及现场实际情况，拟在本工程规划区域内布置1个测试钻孔，孔深100m，采用潜孔锤钻探。

钻探结束后立即进行U型换热器的埋管和回填工序。为了测试地埋管换热器的密闭性，在埋管前对地埋管进行试压试验，并且带压下管，以保证在埋管过程中管子不被损坏。回填材料采用中粗砂，利用注水沉砂法回填，回填过程中要保证回填材料的均匀、密实，回填完毕后静止放置孔48小时以上。

2.2.2 试验步骤

在地埋管安装完毕48小时以后，用岩土热物性测试仪进行现场热响应测试。

岩土热物性测试仪主要由循环水泵、电加热器、温度传感器、涡轮流量计、电量变送器和电压控制模块以及数据采集和控制系统组成[8]。现场热响应试验的测试孔的孔深、回填方式、埋管材料等均应与实际设计埋管井一致，测试完可作为埋管钻井使用，并能真实的反映场地的岩土热物性。测试过程中，在循环水泵的作用下，水在测试仪器和地埋管换热器组成的闭环环路中循环流动，当水流到加热器时被加热，然后经过地埋管流入地下。由于埋管中水与周围岩土存在温差，所以会发生热能交换，这个温差就是地下岩土的温度响应。

图2 试验孔的原始地温变化曲线

全部测试设备、仪器、仪表就位，并对暴露在外边的管道做保温处理，然后进行研究区岩土体的热物性测试。首先，测试岩土体的初始平均温度，待进回水温度稳定后连续观测24小时。然后进行现场热响应试验，本次试验采用模拟夏季工况，进行“恒热流法”（恒加热功率）测试，测试连续进行48小时。测试开始后，每隔30s记录一次进出口水温、温差、流量、压力、加热功率、延米换热数据。

2.2.3测试数据分析

1）地层初始平均温度

由图2可以看出，测试初期，进水温度和回水温度差异较大，在17.7℃上下变动。测试进行3小时后，进水温度和回水温度趋于一致，稳定在17.7℃，这时的回水温度便是测试研究区地层的初始平均温度，即为17.7℃。

图3 试验孔进回水温度分布曲线

2）岩土热物性参数

地层初始温度测试完毕后，进行热工况模拟，加热功率设定为7.5KW，出口温度设定为30℃，温度回差设定为1℃，流量设定为2m3/h。由图3可以看出，测试初期，进水温度和回水温度不断升高，测试进行12小时后，进水温度和回水温度趋于跳跃式稳定。岩土体换热是个复杂的过程，由于本次试验数据采集频率较高为30s/次，加上测试仪器本身的原因，数据呈周期性跳跃，所以数据处理中剔除了其中的高异常值和低异常值。

《浅层地热能勘察评价规范》要求测试过程中流量应基本保持稳定[5]。本次试验流量设定为2m3/h，测试过程中流量保持稳定。

图4 试验孔平均温度变化曲线

通过拟合时间和温度的对数曲线，可以利用斜率法计算岩土导热系数和钻孔内热阻。斜率法就是以现场热响应测试时间t取对数ln(t)作为X坐标，得到一系列温度点，然后以试验测得的温度数据Tf作为Y坐标，根据这些温度点拟合出Tf与ln(t)的关系式（1）：

其中，T为地埋管进口处、出口处循环流体温度取平均值，℃；为测试时间，min。

拟合曲线见图4，得出=3.1261，=19.086，拟合度达0.9471。

张鑫[6]推导出地埋管换热器地下热传导的理论解析式（2）：

对比式1和式2可得：

对式3和式4作相应变形如下：

由式5和式6可知，利用斜率法可的岩土的导热系数κs=1.91 W/(m·K)和钻孔内的热阻Rb= 0.36 m·K/W。

通过测试和分析得出，研究区岩土土壤平均综合导热系数为1.91 W/(m·K)，钻孔内的热阻为0.36 m·K/W。仅对单井测试结果，群井应乘安全系数建议0.6~0.9，该系数以布井方式和数量不同而不同[7]。

这里需要强调的是，由于不同地区地质结构的差异性和复杂性，本次测试结果仅能代表该研究区内的岩土热物性参数，而不能盲目地把数据的适用范围扩大。本测试结果仅对本测试井，当本区域存在大量布置换热井群时，参照《地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2009）》相应标准设计计算。

3 结论及建议

根据热响应试验现场采集的数据，分析得出：研究区岩土的初始温度为17.7℃，岩土土壤平均综合导热系数为1.91 W/(m·K)，钻孔内的热阻为0.36 m·K/W。该数据仅为单井测试结果，群井应乘安全系数建议取0.6~0.9。通过研究，得出研究区岩土土壤平均综合导热系数较高，适宜做地源热泵系统，可为研究区内地源热泵的设计提供依据。

[1] 杨卫波，朱洁莲，谢治祥．地源热泵地下岩土热物性现场热响应测试方法研究流体机械，2011，39(9)：57-61．

[2] 四川省地质局第二区测队．绵阳幅H－48－Ⅲ区测报告及地质图（1∶20万）[R].1967.

[3] 何清，曾玉兰，张文涛．六安市某项目岩土热响应试验简介[C]．第十三届中国科协年会第十四分会场——地热能开发利用与低碳经济研讨会.2011.

[4] 许浩天，祝健．岩土热响应试验在工程中的应用[C]．中国建筑学会建筑热能动力分会第十八届学术交流大会暨第四届全国区域能源专业委员会年会．2013.

[5] 中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质监督检验检疫总局.地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2009）[S].2009．

[6] ASHRAE Handbook—HVAC Applications（Geothermal Energy 32.12）[E]，2007．

[7] 中华人民共和国国土资源部．浅层地热能勘察评价规范（DZ/T 0225-2009）[S]，2009．

[8] 张鑫．垂直式地埋管换热理论及岩土热物性参数试验方法[D].长安大学.2012.

A Study of Thermal Properties of Rock and Soil of a Site in Anzhou District of Mianyang City, Sichuan Province

YANG Miao-lin1TIAN Heng-zhao1YUAN Xiao-qing2

(1-No. 909 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 621000; 2-China Southwest Geotechnical Investigation & Design Institute Co.,Ltd., Chengdu 610000)

The Coefficient of thermal properties of rock and soil is an important parameter in the study of ground source heat pump. Field thermal response test of a grain storage in the Anzhou District of Mianyang City shows that initial temperature of rock and soil is 17.7 ℃, average comprehensive thermal conductivity of soil is 1.91 w/(m·k) and thermal resistance in bore hole is 0.36 m·k/w. These data provide the basis for the design of the ground source heat pump in the research area.

thermal properties of rock and soil; field test; Mianyang, Sichuan; Anzhou

2019-11-05

杨苗林（1989-），女，山西长治人，工程师，研究方向：水工程地质

P314.3

A

1006-0995（2020）04-0624-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.020