软件计算求解
获得地埋管换热能力所需的计算参数
初始温度 热响应数据
换热量
地埋管规格 换热孔参数
岩土参数
稳定工况测试
稳定工况测试是稳定地建立地埋管 换热器的运行工况，在工况稳定的情 况下测定地埋管换热器的换热量，从 而确定设定工况下地埋管换热器的换 热热能力。
包括夏季工况测试和冬季工况测试
稳定工况测试
借助软件 计算求解
热响应测试
稳定的 加热功率
热响应 测试
监测测试 过程参数
温度达到 基本稳定
地层热响 应数据
测试累计时间、地埋管换热器进出水 平均温度、地埋管实际换热量
注意：在稳定热流测试数据中，直接体现的地层换热量不是 地埋管的实际换热能力，而是对加热功率的响应，但它是计 算地埋管换热能力的一个参数。
• 稳定热流的测试方法是国际地源热泵协会（IGSHPA）的标准和美国采暖制冷与空 调工程师学会（ASHRAE）手册所推荐的方法，也是国际上通行的做法和我国规范 认可的方法。
稳定热流测试方法
稳定热流 测试方法
稳定热流测试方法 手工计算过于复杂 线热源、柱热源 获得地层热响应数据
热响应 测试
传热模型
• 20世纪80年代中期以后，随着地源热泵技术在一些欧美国家的推广应用， 岩土体热物性测试技术，即野外现场原位测试技术应运而生。 1983年， 瑞典就把这种测试土壤传热特性的方法定义为“热响应”。 相比取样分析法， 现场测试的方法更为科学，获得的结论准确性更高。
稳定热流测试方法
• 目前国内外采用的岩土热物性测试方法主要是稳定热流测试方法，该方法是在工程 现场建立竖直地埋管换热器测试孔，通过U型管对该孔施加恒定的热流，测量加热 功率、U型管内换热流体进出口温度、流量等参数，通过数据采集系统，以一定时 间间隔记录试验数据，根据上述动态变化数据，经过一定的数学模型处理后，可以 获得当地岩土体的平均导热系数以及钻孔内的热阻，计算得到地埋管换热器的总长 度。
• 但这种方法存在较为明显的问题，一个是岩土脱离原有所处的环境，自身性质必然 会发生变化，对测试的准确性有影响；第二取样存在局限性，细颗粒地层取样率较 高，但粗颗粒地层原状土取样一直是难题；第三，只能取得局部深度的岩土体，不 能对整个井深范围内的岩土体进行测量，因此不能获得真实的岩土体热物性参数。
稳定热流测试方法
1#测 试 孔 100m
2500
2000
北京市通州区 北京观光南瓜园 粘土、粉细砂互层
测试数据
计算结论对比
编号
岩土初始平均 岩土平均导热
稳定工况 测试
地层初始平均温度测试
初温测试
布置传感器
无功循环
《地源热泵系统工程技术 规范》推荐
《浅层地热能勘查评价规 范》推荐
水温平衡
最新方法
布置传感器法
• 顾名思义，该方法是沿地埋管换热器不同的深度布置温度传感器，通过实时监测温
度传感器的监测数值，确定不同深度地层的温度。
布置传感器法
• 埋设传感器法为最准确的方法，基于埋设传感器法的长期应用，总结温度传感器埋 设方法有投入测试孔、地埋管内埋设、地埋管外埋设和单独埋设。 投入测试孔是 利用投入式温度传感器投入未下入管材的测试孔内，通过上下位移测量不同深度的 地层温度；地埋管内埋设是利用埋入式温度传感器下入已经与地层形成热平衡的地 埋管内，通过上下位移测量不同深度的地层温度；地埋管外埋设是将温度传感器按 设计下入深度固定在地埋管外部，随地埋管一同下入测试孔；单独埋设是将温度传 感器单独下入监测孔后回填。
的方法。
地层初始平均温度测试方法对比
水温平衡
无功循环
可获得不同深度地层温度，测试时间短 数据分析复杂，须与地层建立热平衡
操作简单，数据分析简单 只能获得平均温度，测试时间长
布置传感器
测量准确，不同深度地层温度 操作复杂，成本高
地层初始平均温度测试方法对比
岩土样品分析
• 在20世纪80年代以前，对于平均导热系数和体积比热容，研究人员通常取样分析 的方法，是指将某一深度、一定厚度的岩土样品提取出来，利用试验仪器进行测量 以获得岩土的热物性参数的方法。
传热模型
• 地埋管换热器与岩土体的热交换是一个非常复杂的换热过程，可以看成多孔介质内 包含水流动的热质迁移过程。 从地学的角度讲，地质体是一个非常复杂、隐蔽且 具有不确定性的研究对象，因此建立地质体的热物理模型非常困难。
• 由于地下土壤情况非常复杂，稳定热流测试方法对实际情况进行了简化，引进如下 假设：钻孔周围岩土是均匀的；埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线 热源与周围岩土进行换热，沿长度方向传热量忽略；埋管与岩土的换热强度维持不 变；忽略地下水渗流影响。
• 不同的项目地点，其地层岩性、水文地质条件等均不同，包括不同的施工条件，都 会对地埋管换热能力产生很大影响。 为了提高地源热泵系统的经济性和可靠性， 在建设初期，地埋管换热器系统设计之前进行岩土热物性测试非常必要，应该得到 相关单位的足够重视。
岩土热物性测试方法
初始温度 测试
岩土样品 分析
稳定热流 测试
地层岩性 地下水流动
地埋管换热器 施工条件
综合反映
管材、回填料
运行工况
两种测试方法的对比
测试方法
稳定热流测试
稳定工况测试
理论充分成熟
需要假设条件
测试设备简单
计算过程复杂
存在误差累积
忽略井间干扰
计算过程简单
忽略非稳态传热
结论准确性高
测试设备复杂
岩土热物性测试研究实例
2#测 试 孔 100m
3#测 试 孔 30m
无功循环法
• 无功循环是在不向地埋管加载冷、热量的情况下，使水在地埋管内循环，在循环水
的温度达到稳定时，此时循环水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。
水温平衡法
• 水温平衡是地埋管安装完成足够时间后，PE管内的水与岩土体的温度达到平衡，
此时通过水泵循温度
岩土热物性测试技术特点和应用
岩土热物性测试的意义
• 地源热泵技术是一项节能、环保的新技术。 进入21世纪地源热泵在我国快速发展 起来。 地埋管地源热泵系统与传统的空调形式相比，增加了地埋管换热器系统， 其设计直接影响到系统的可靠性和经济性。
• 岩土热物性测试的直接目的是获得准确的基于地埋管换热器的岩土换热能力，从而 为地埋管换热器系统的设计提供依据。