四川綿陽安州區(qū)某場地巖土熱物性研究

楊苗林，田恒召，袁小清

四川綿陽安州區(qū)某場地巖土熱物性研究

楊苗林1，田恒召1，袁小清2

（1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九0九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊 四川 綿陽 621000；2.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，成都 610000）

巖土熱物性系數(shù)是地源熱泵研究中的重要參數(shù)。本研究基于四川綿陽市安州區(qū)某場地的現(xiàn)場熱響應試驗，通過分析現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)得出：研究區(qū)地巖土的初始溫度為17.7℃，巖土土壤平均綜合導熱系數(shù)為1.91 W/(m·K)，鉆孔內(nèi)的熱阻為0.36 m·K/W。通過該試驗，可以為研究區(qū)地源熱泵的設計提供依據(jù)。

巖土熱物性；現(xiàn)場測試；四川綿陽；安州

目前越來越多的人關注淺層地溫能的利用，其中地源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中的利用也日趨普遍。巖土熱物性系數(shù)是地源熱泵系統(tǒng)中不可或缺的參數(shù)。國內(nèi)外，可用于確定地下巖土熱物性的方法主要有：穩(wěn)態(tài)平板測試法、探針法、土壤類型辨別法及現(xiàn)場測試法[1]。前三種方法均存在不同程度的誤差，與現(xiàn)場實際相差較大。因此為能準確地獲得地下巖土的熱物性參數(shù)，進行現(xiàn)場巖土熱物性測試是最直接有效的方法。本文以四川綿陽市安州區(qū)某場地的現(xiàn)場熱響應試驗為例，進行現(xiàn)場巖土熱物性測試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖土土壤平均綜合導熱系數(shù)較高，適宜做地源熱泵系統(tǒng)，可為研究區(qū)內(nèi)地源熱泵的設計提供依據(jù)。

1 綿陽地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征及水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于四川綿陽市安州區(qū)，地處龍門山褶斷帶與四川盆地相接的部位，受該地質(zhì)構(gòu)造條件的控制，該處地貌特征主要表現(xiàn)為西北部為龍門山山地地貌，東南部為四川盆地地貌，地勢總體上呈西北高東南低。東南部的四川盆地以丘陵地貌和堆積平原為主；丘陵自西北向東南呈壟崗狀延伸，構(gòu)成安昌河水系與睢水河水系的分水嶺；水系的兩岸連續(xù)分布著寬廣而開闊的砂卵礫石層堆積平原，研究區(qū)就位于該堆積平原上。

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，所處地勢平坦，鉆孔資料顯示該區(qū)地層分布情況為（圖1）：①第四系填土層，層厚約1m，雜填土；②第四系沖洪積物堆積層，層厚約26m，由地表往下依次為砂卵礫石夾粘土層、砂卵礫石層、卵礫石層；③基巖為白堊系劍閣組紫紅色泥巖，層厚180~300m[2]。

圖1 研究區(qū)鉆孔柱狀圖

研究區(qū)地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。第四系含水層類型為潛水，含水層富水性極好，單井出水量（降深5m時）一般為3 000~5 000 m3/d，但地下水流速緩慢。基巖含水層類型為承壓水，含水層富水性較差，泉流量0.01~0.5 L/s，地下水流速緩慢。

２ 熱響應試驗分析

現(xiàn)場直接進行熱響應試驗是獲取地下巖土的熱物性參數(shù)的有效方法，通過巖土熱物性測試儀器采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，以得出研究區(qū)的巖土熱物性參數(shù)。

2.1 試驗目的及原理

2.1.1 試驗目的

通過測試儀器，對研究區(qū)的試驗孔進行一定時間的不間斷熱響應測試，測得場地巖土的初始溫度、巖土土壤平均綜合導熱系數(shù)、熱阻參數(shù)等數(shù)據(jù)，為場地地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器設計提供相應的設計依據(jù)。

巖土的導熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)隨著巖土各層土質(zhì)的不同而不同；地埋管換熱器影響深度范圍內(nèi)的綜合巖土導熱系數(shù)和綜合比熱容，是工程設計最重要的參數(shù)，這一參數(shù)更能反映地埋管換熱系統(tǒng)的換熱能力[3]。

本次研究獲得的參數(shù)是直接在地下鉆孔換熱器中進行測量的，現(xiàn)場試驗綜合考慮了地下不同巖土層的熱物性及鉆孔深度內(nèi)地下水的影響等的其他周圍環(huán)境因素的影響，其得出的數(shù)值更能真實的反應場地的巖土特征，為設計地下?lián)Q熱器提供依據(jù)[3]。

2.1.2試驗原理

巖土熱物性參數(shù)作為一種熱物理性質(zhì)，無論對其進行取熱還是加熱試驗，其導熱系數(shù)、比熱容等熱物理性質(zhì)不會發(fā)生改變[4] [5]。因此按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（GB50366-2009）中規(guī)定，采用向巖土施加一定加熱功率的方式，來進行巖土熱物性參數(shù)的測試[5]。

土壤熱物性的測試方法主要有兩種：“恒熱流法”和“恒溫法”[4]。本次測試采用“恒熱流法”。“恒熱流法”的原理是指采用恒定功率的電加熱，記錄地埋管進出口溫度隨時間的變化。

在ASHRAE手冊中對恒熱流法熱響應試驗作了相應的技術要求，規(guī)定巖土熱物性測試的時間應為36～48小時[4]。加熱功率應為每米鉆孔50～80W，因為此功率大致為實際U型管換熱器高峰負荷值[4]。

1.1.1 試驗材料 2017年5月9日在浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學平山試驗基地種植徐薯22．每個小區(qū)面積3.6 m2,扦插60株,3次重復．8月5日開始采收,測定小區(qū)內(nèi)的甘薯葉和葉柄,間隔10 d再進行一次采收,至8月25日,共采收3次;采收的甘薯葉片葉柄在45 ℃烘干至恒質(zhì)量,粉碎,過90目篩，低溫保存待測．

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗準備階段

根據(jù)設計規(guī)范要求及現(xiàn)場實際情況，擬在本工程規(guī)劃區(qū)域內(nèi)布置1個測試鉆孔，孔深100m，采用潛孔錘鉆探。

鉆探結(jié)束后立即進行U型換熱器的埋管和回填工序。為了測試地埋管換熱器的密閉性，在埋管前對地埋管進行試壓試驗，并且?guī)合鹿埽员ＷC在埋管過程中管子不被損壞。回填材料采用中粗砂，利用注水沉砂法回填，回填過程中要保證回填材料的均勻、密實，回填完畢后靜止放置孔48小時以上。

2.2.2 試驗步驟

在地埋管安裝完畢48小時以后，用巖土熱物性測試儀進行現(xiàn)場熱響應測試。

巖土熱物性測試儀主要由循環(huán)水泵、電加熱器、溫度傳感器、渦輪流量計、電量變送器和電壓控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)組成[8]。現(xiàn)場熱響應試驗的測試孔的孔深、回填方式、埋管材料等均應與實際設計埋管井一致，測試完可作為埋管鉆井使用，并能真實的反映場地的巖土熱物性。測試過程中，在循環(huán)水泵的作用下，水在測試儀器和地埋管換熱器組成的閉環(huán)環(huán)路中循環(huán)流動，當水流到加熱器時被加熱，然后經(jīng)過地埋管流入地下。由于埋管中水與周圍巖土存在溫差，所以會發(fā)生熱能交換，這個溫差就是地下巖土的溫度響應。

圖2 試驗孔的原始地溫變化曲線

全部測試設備、儀器、儀表就位，并對暴露在外邊的管道做保溫處理，然后進行研究區(qū)巖土體的熱物性測試。首先，測試巖土體的初始平均溫度，待進回水溫度穩(wěn)定后連續(xù)觀測24小時。然后進行現(xiàn)場熱響應試驗，本次試驗采用模擬夏季工況，進行“恒熱流法”（恒加熱功率）測試，測試連續(xù)進行48小時。測試開始后，每隔30s記錄一次進出口水溫、溫差、流量、壓力、加熱功率、延米換熱數(shù)據(jù)。

2.2.3測試數(shù)據(jù)分析

1）地層初始平均溫度

由圖2可以看出，測試初期，進水溫度和回水溫度差異較大，在17.7℃上下變動。測試進行3小時后，進水溫度和回水溫度趨于一致，穩(wěn)定在17.7℃，這時的回水溫度便是測試研究區(qū)地層的初始平均溫度，即為17.7℃。

圖3 試驗孔進回水溫度分布曲線

2）巖土熱物性參數(shù)

地層初始溫度測試完畢后，進行熱工況模擬，加熱功率設定為7.5KW，出口溫度設定為30℃，溫度回差設定為1℃，流量設定為2m3/h。由圖3可以看出，測試初期，進水溫度和回水溫度不斷升高，測試進行12小時后，進水溫度和回水溫度趨于跳躍式穩(wěn)定。巖土體換熱是個復雜的過程，由于本次試驗數(shù)據(jù)采集頻率較高為30s/次，加上測試儀器本身的原因，數(shù)據(jù)呈周期性跳躍，所以數(shù)據(jù)處理中剔除了其中的高異常值和低異常值。

《淺層地熱能勘察評價規(guī)范》要求測試過程中流量應基本保持穩(wěn)定[5]。本次試驗流量設定為2m3/h，測試過程中流量保持穩(wěn)定。

圖4 試驗孔平均溫度變化曲線

通過擬合時間和溫度的對數(shù)曲線，可以利用斜率法計算巖土導熱系數(shù)和鉆孔內(nèi)熱阻。斜率法就是以現(xiàn)場熱響應測試時間t取對數(shù)ln(t)作為X坐標，得到一系列溫度點，然后以試驗測得的溫度數(shù)據(jù)Tf作為Y坐標，根據(jù)這些溫度點擬合出Tf與ln(t)的關系式（1）：

其中，T為地埋管進口處、出口處循環(huán)流體溫度取平均值，℃；為測試時間，min。

擬合曲線見圖4，得出=3.1261，=19.086，擬合度達0.9471。

張鑫[6]推導出地埋管換熱器地下熱傳導的理論解析式（2）：

對比式1和式2可得：

對式3和式4作相應變形如下：

由式5和式6可知，利用斜率法可的巖土的導熱系數(shù)κs=1.91 W/(m·K)和鉆孔內(nèi)的熱阻Rb= 0.36 m·K/W。

通過測試和分析得出，研究區(qū)巖土土壤平均綜合導熱系數(shù)為1.91 W/(m·K)，鉆孔內(nèi)的熱阻為0.36 m·K/W。僅對單井測試結(jié)果，群井應乘安全系數(shù)建議0.6~0.9，該系數(shù)以布井方式和數(shù)量不同而不同[7]。

這里需要強調(diào)的是，由于不同地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性和復雜性，本次測試結(jié)果僅能代表該研究區(qū)內(nèi)的巖土熱物性參數(shù)，而不能盲目地把數(shù)據(jù)的適用范圍擴大。本測試結(jié)果僅對本測試井，當本區(qū)域存在大量布置換熱井群時，參照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范（GB50366-2009）》相應標準設計計算。

3 結(jié)論及建議

根據(jù)熱響應試驗現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，分析得出：研究區(qū)巖土的初始溫度為17.7℃，巖土土壤平均綜合導熱系數(shù)為1.91 W/(m·K)，鉆孔內(nèi)的熱阻為0.36 m·K/W。該數(shù)據(jù)僅為單井測試結(jié)果，群井應乘安全系數(shù)建議取0.6~0.9。通過研究，得出研究區(qū)巖土土壤平均綜合導熱系數(shù)較高，適宜做地源熱泵系統(tǒng)，可為研究區(qū)內(nèi)地源熱泵的設計提供依據(jù)。

[1] 楊衛(wèi)波，朱潔蓮，謝治祥．地源熱泵地下巖土熱物性現(xiàn)場熱響應測試方法研究流體機械，2011，39(9)：57-61．

[2] 四川省地質(zhì)局第二區(qū)測隊．綿陽幅H－48－Ⅲ區(qū)測報告及地質(zhì)圖（1∶20萬）[R].1967.

[3] 何清，曾玉蘭，張文濤．六安市某項目巖土熱響應試驗簡介[C]．第十三屆中國科協(xié)年會第十四分會場——地熱能開發(fā)利用與低碳經(jīng)濟研討會.2011.

[4] 許浩天，祝健．巖土熱響應試驗在工程中的應用[C]．中國建筑學會建筑熱能動力分會第十八屆學術交流大會暨第四屆全國區(qū)域能源專業(yè)委員會年會．2013.

[5] 中華人民共和國建設部,中華人民共和國國家質(zhì)監(jiān)督檢驗檢疫總局.地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范（GB50366-2009）[S].2009．

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

[7] 中華人民共和國國土資源部．淺層地熱能勘察評價規(guī)范（DZ/T 0225-2009）[S]，2009．

[8] 張鑫．垂直式地埋管換熱理論及巖土熱物性參數(shù)試驗方法[D].長安大學.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

楊苗林（1989-），女，山西長治人，工程師，研究方向：水工程地質(zhì)

P314.3

A

1006-0995（2020）04-0624-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.020