设工程学院绿色能源实验室地源热泵示范 热交换井中进行了试验测试。该示范地下
仪器，该测试仪通过电加热器对流体加热 ２．２ 整体结构设计
热交换井共有 ５ 口，水平间距为 ６ｍ，设计
再注向孔内管内，通过现场采集电加热功
根据上述测试方法，研制成 ＢＴＲ－４０００ 井 深 为 １００ｍ。在 ２＃和 ３＃井 内 垂 直 埋 设
性参数，后者一般都需连续测量数十小时， 相对来说成本也高。但是，地层热物性现场 原位测试对于正确合理经济地设计地源热 泵系统是一种行之有效的方法，对于较大 的地源热泵系统工程显得尤为必要。
１ 国内外研究现状
地层热物性主要包括地层导热系数和 钻孔热阻，原位测试是通过从钻孔热交换 器提取常热流量，进而测量流体温度的变 化，然后用各种传热模型评价钻孔和周围 土壤或岩石中的传热过程。测试设备的设 想第一次出现在 １９８３ 年在斯德哥尔摩举 行的国际能源机构的国际会议上， Ｍｏｇｅｎｓｅｎ 提出了一种现场确定大地热传 导系数和钻孔热阻的方法。直到上世纪 ９０ 年代中后期，基于这种想法的现场钻孔热 反应测试设备才由瑞典人 Ｅｋｌｏｆ 和 Ｇｅｈｌｉｎ （１９９６ 年）和美国人 Ａｕｓｔｉｎ（１９９８ 年）相 继研制成功［２］。１９９６ 年，第 １ 台可移动地热 反应测试设备在瑞典开始使用。１９９８ 年， 挪威拥有了和瑞典基本相同的可移动测试 装置；瑞士也拥有 ２ 台热测试设备；美国除 Ａｕｓｔｉｎ 研制出现场地热测试设备外，还有 几种商业用测试装置也研制出来；另外，法 国、英国和日本也都拥有了相近的地热反
型”两种模型来进行热交换管内流体平均 钻孔同轴的圆柱热源。故圆柱源模型得到
温度的模拟，并运用 ＭＡＴＬＡＢ 数学处理软 的分析解具有清晰的物理意义，应用于地
件进行分析，其实测数据与模拟数据曲线 下埋管换热器具有比线热源更高的模拟精
如图 ３ 所示，两者非常接近。求得的钻孔周 度，因此，在地下埋管换热器的模拟研究方
对于地层热物性的确定，ＩＧＳＨＰ（国际 地源热泵协会）推荐两种方法：一种是对于 水平埋管热泵系统，根据现场钻孔取出的 岩样在实验室直接测定，或查有关手册确 定导热系数；另一种是对于大型的垂直埋 管热泵系统，需进行现场地层热物性原位 测试，即钻孔热反应现场测试。前者，取出 岩样的水份、温度和压力等测试环境与地 下发生较大的变化，测得的数据与实际数 值相差较大；后者，采用现场原位测试，可 以直接得到较准的钻孔的地层平均导热系 数和钻孔的热阻，尽管钻孔过程中产生的 热量，需要几天后才能测得非扰动的热物
只有很小的改动以适应土耳其标准［４］。
埋管换热器的进出水温度，根据测得的温
热泵机组的制热输入功率 ０．９２ｋＷ，
目前，这种现场测试钻孔热反应性能 度数据，利用传热模型反推钻孔周围岩土 制 冷 输 入 功 率 ０．８５ｋＷ，额 定 制 热 量 为
参数的技术已经推广到欧洲、亚洲、北美和 的平均热物性参数。
地层热物性原位测试方法及仪器
吉林大学建设工程学院 孙友宏 ＊ 王庆华 陈昌富 吴晓寒
摘 要 地层热物性参数是影响地源热泵地下热交换管长度的主要因素，对于大型的垂
直埋管热泵系统，需进行现场地层热物性原位测试，可以得到较准的钻孔的地层平均导热系数 和钻孔的热阻。 ＢＴＲ－４０００ 型地层热物性原位测试仪为准确设计地源热泵地下埋管长度提供 了一种手段，经测试应用，对于垂直埋管地下换热器而言，圆柱源模型比线热源模型的分析解更 具有清晰的物理意义和更高的模拟精度。
运行约 ３ 小时，测得井内初始温度１０．２℃； 再开启热泵，随运行时间的增加，循环流体 的进井和出井温度逐渐升高，初期增加幅
２．１ 测试方法
度大，当运行 ２４ 小时以后，进出井口的水
地下岩土的热物性随地下水、岩土的矿
温增长趋势变缓，并逐渐趋于稳定，地下热
物成分、孔隙率、毛细孔水和各相异性等变
交换器和土壤的热交换基本达到平衡，热
＊ 孙友宏，１９６５ 年 ６ 月生，教 授，博导 地址：长春市西民主大街 ６ 号
提升产业链最大价值
二 ＯＯ 八年十一月 ３１
地源热泵产业专栏
பைடு நூலகம்
应测试设备。１９９９￣２０００ 年间，在瑞典和 和热流等进行反向推算，这是一个传热学 换热器相连，即组成一个小型地源热泵系
美国设备的基础上，加拿大也研制了这种 的反问题。其测试方法如图 １ 所示，首先， 统。由于测试井地下换热器与实际工程井
ｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｕｂｅ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ＧＳＨＰ ｓｙｓｔｅｍ． Ｂｙ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ， ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｓｔｒａｔｕｍ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｈｏｌｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ． ＢＴＲ－４０００ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ． Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｇａｖｅ ｕｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ． Ａｌｓｏ ｉｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｌｕｍｎ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｖｉｖｉｄ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｔｈａｎ ｌｉｎｅ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ．
测试设备。在德国，热反应测试方法开始于 在将要埋设地下换热器的现场施工测试 具有相同结构和材料，因此所测得数据最
１９９９ 年，在这一设计中，加热器被热泵取代， 井，井深与实际工程井深相同，井中埋设热 贴近实际工程设计需要。测试仪的控制系
可用于供冷和供暖两种模式［３］；当年，荷兰 交换管并按设计要求进行回填；然后，进行 统能同时实现各种手动和自动控制功能，
给出精确的理论解，对小管
径、长时间运行的系统比较
精确，对于具有一定热容量
的地下埋管换热器所得出
的结果误差较大，尤其对短
时间尺度上的系统行为，不
能进行直接的模拟。圆柱热
源模型将线热源推广到具
有一个恒定半径的圆柱热
源，同时假定在圆柱的径向
图 ３ 管内温度实测曲线与模拟曲线对比图
热流恒定，通过引入表面积 当量直径，将埋管假定为与
化而变化。其原位测试不能像测量温度、压
泵连续运行 ７２ 小时后，测试结束。
强那样直接测量，只能根据传热学理论通
测试结束后进行室内数据模拟分析，
过测量进出地下埋管内的流体温度、流量 图 ２ ＢＴＲ－４０００ 地层热物性原位测试仪外形 本实验同时采用“线源模型”和“圆柱源模
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提升产业链最大价值
Keywords Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ，Ｓｔｒａｔｕｍ，Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ，Ｍｅａｓｕｒｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ
０ 引言
在对地源热泵系统进行地下热交换 器或地下储能桩设计时，地下热交换系统 规模设计太小，将不能满足地表空调负荷 的 需 要 ；地 下 系 统 规 模 设 计 太 大 ，又 将 造 成初投资增大，其影响的主要因素是地 层热物性参数。地层的热物性参数主要 包 括 地 层 的 导 热 系 数 和 钻 孔 的 热 阻，这 两个参数是地下热交换管长度设计的主 要依据，如地下岩土的导热系数发生 １０％的误差，则设计的地下埋管长度的偏 差将是 ４．５％￣５．８％［１］。
围岩土的导热系数和热阻参数分别是：线 面得到了广泛的应用，也是目前大多数数
源模型测得结果为：λ＝３．３７３１Ｗ（／ ｍ·Ｋ）； 值分析模型的理论基础。
Ｒ＝０．１ １９３ｍ·Ｋ／Ｗ；圆柱源模型测得的结果
４ 为 λ＝２．９５９９Ｗ（／ ｍ·Ｋ），Ｒ＝０．１１７０ｍ·Ｋ／Ｗ， 结论
两者相差较大。
１． 地层热物性原位测试方法是一种
分析其误差原因是线热源模型把埋管 准确测量地下岩土导热系数和钻孔热阻
换热器和钻孔井假定为一个具有径向热流 的方法，ＢＴＲ－４０００ 型地层热物性原位测
的无限长线热源，仅对真实的线热源才能 试仪为准确设计地源热泵地下埋管长度
提供了一种手段。
２． 测试分析用线热源模型和圆柱热
源模型两者测试分析结果相差较大，对于
试和分析，设备规格从手提箱到旅行车大
压力变送器量程为 ０￣１Ｍｐａ，误差 ＜１％ ；
小不等。从 ２０００ 年开始，热反应测试也已
循环流体的流量采用电磁流量计测量，可
经成为国际能源机构一个专题研究领域，并
现场显示及远程传输流量值，误差为±
将研究重点定为大地原始温度测量、地下
０．２％ ；数据的采集和控制系统主要为工
研发了一种电加热器的测试仪；２００６ 年， 及电控柜等。测试仪安装在一个可移动的 埋设 φ１１０ 同轴套管作为取热管。
天津大学的赵军等提出了基于圆柱热源模 拖车上，外形如图 ２ 所示。加热设备选择地
现以 １＃ 井为例进行测试分析，该井井
型的现场测量岩土热物性的方法；同年，北 源热泵来代替电加热器，既能向孔内注热， 深 ９８ｍ；孔径 １８０ｍｍ；回填材 料 为 ２０％
水的影响、随钻测量、自动软件分析和特殊
控机并由组态软件实现。
能量体（如能量柱）的热反应测试等方面。 国内有关地层热物性原位测试研究，
３ 应用测试
最近几年才开始，一些研究单位和大学进
该测试仪加工完成后，在吉林大学建
行了有关研究。２００４ 年，山东建工学院地 源热泵研究所李晓东等研制了便携式测试
图 １ 地层热物性原位测量方法示意图
４．０５ｋＷ，额定制冷量为 ３．４ｋＷ；变频循环