xxxxx地源热泵岩土热物性测试技术报告华中科技大学环境科学与工程学院地源热泵研究所华中科技大学建筑节能技术中心二O一一年十月地源热泵岩土热物性测试技术报告项目名称：xxxxxx地源热泵岩土热物性测试测试单位：华中科技大学环境科学与工程学院地源热泵研究所华中科技大学建筑节能技术中心测试时间：2011-10-11 ～2011-10-13目录1 测试目的和测试依据....................................................... - 1 -1.1测试目的 ............................................................. - 1 -1.2测试参考标准........................................................ - 1 -2 测试原理与方法 ............................................................ - 2 -2.1岩土热响应试验..................................................... - 2 -2.2 现场测试方法 ....................................................... - 5 -3 测试仪器和要求 ............................................................ - 1 -3.1规要求................................................................ - 1 -3.2测试单位测试用岩土热物性测试仪及其检定/校准证书 ........ - 1 -3.3测试单位地源热泵岩土热物性测试技术研究成果错误!未定义书签。

4 测试方案 .................................................................... - 3 -4.1项目概况 ............................................................. - 3 -4.2测试孔成孔条件..................................................... - 3 -4.3岩土热响应试验测试步骤 .......................................... - 3 -5现场试验数据计算分析和测试结果 ....................................... - 5 -5.1岩土综合热物性参数................................................ - 5 -5.2钻孔单位延米（孔深）换热量参考值............................. - 5 -附录现场测试部分原始数据曲线图........................................ - 8 -1 测试目的和测试依据1.1测试目的对于地埋管地源热泵系统工程设计而言，最为关心的是地埋管换热系统的换热能力，这主要反映在地埋管换热器深度围的综合岩土导热系数和综合比热容两个参数上，是一个反映了岩土、地下水流等因素影响的综合值。

由于地质结构的复杂性和差异性，因此必须通过现场试验得到岩土综合导热系数和综合比热容等岩土热物性参数，供地埋管设计计算使用。

在试验测得岩土综合导热系数和岩土初始平均温度的基础上，结合地埋管换热器钻孔回填材料、钻孔直径、埋管类型（单/双U）、埋管间距、运行份额、运行工况下地埋管中传热介质设计平均温度、运行时间等条件，计算得出测试条件下地埋管换热器单位孔深换热量参考值，指导地埋管地源热泵系统工程设计1.2测试参考标准《地源热泵系统工程技术规》（GB50366-2005）(2009年版)2 测试原理与方法2.1岩土热响应试验岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热或是取热试验，其数据处理过程基本相同。

因此本规中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。

现有的主要计算方法，是利用反算法推导出岩土热物性参数。

其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和()21exp,,∑=-=N i i i cal T T f 取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。

其中，T cal,i 为第i 时刻由模型计算出的埋管流体的平均温度；T exp,i 为第i 时刻实际测量的埋管中流体的平均温度；N 为试验测量的数据的组数。

也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。

以下给出一种适用于单U 形竖直地埋管换热器的分析方法，以供参考。

地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔传热过程和钻孔外传热过程。

相比钻孔外，钻孔的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔的换热过程可近似为稳态换热过程。

埋管中循环介质温度沿流程不断变化，循环介质平均温度可认为是埋管出入口温度的平均值。

钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。

在定加热功率的条件下：2.1.1钻孔传热过程及热阻钻孔两根埋管单位长度的热流密度分别为q 1和q 2，根据线性叠加原理有： ⎩⎨⎧+=-+=-221122212111q R q R T T q R q R T T b f b f (2.1-1)式中T f1, T f2——分别为两根埋管流体温度（℃）；T b ——钻孔壁温度（℃）；R 1, R 2——分别看作是两根管子独立存在时与钻孔壁之间的热阻（m·K/W ）；R 12——两根管子之间的热阻（m·K/W ）。

在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔部的，其中心距为D ，因此有： f 222o 21ln ln 21R R D d d d d R R p b b s b s b b b ++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==λλλλπλ(2.1-2) ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛=22212ln ln 21D d d D d R b b s b s b b b λλλλπλ (2.1-3)其中埋管管壁的导热热阻R p 和管壁与循环介质对流换热热阻R f 分别为： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=i o p p d d R ln 21πλ, K d R i f π1= (2.1-4) 式中d i ——埋管径（m ）；d o ——埋管外径（m ）；d b ——钻孔直径（m ）； λp ——埋管管壁导热系数[W/(m·K)]；λb ——钻孔回填材料导热系数[W/(m·K)]；λs ——埋管周围岩土的导热系数[W/(m·K)]；K ——循环介质与U 形管壁的对流换热系数[W/(m 2·K)]。

取l q 为单位长度埋管释放的热流量，根据假设有：q 1=q 2=q l /2，T f 1=T f 2=T f ，则式(2.1-1)可表示为b l b f R q T T =- (2.1-5) 由式(C.3.8-2)~( C.3.8-5)可推得钻孔传热热阻R b 为 ⎭⎬⎫+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=K d d d D d d D d d d R i i o p b b s b s b b b b b ππλλλλλπλ1ln 21ln ln ln 2121444o (2.1-6)同理可推得双U 形钻孔传热热阻Rb 表达式为⎭⎬⎫+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=h d d d D d d D d d R i io p b b s b s b o b b b ππλλλλλπλ1ln 21ln 4ln 214188834 (2.1-7)2.1.2钻孔外传热过程及热阻当钻孔外传热视为以钻孔壁为柱面热源的无限大介质中的非稳态热传导时，其传热控制方程、初始条件和边界条件分别为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂r T r r T c T ss s 122ρλτ,∞<≤r d b 2,0>τ (2.1-8)ff T T =,∞<<r d b 2,0=τ (2.1-9)l d r s b q r T d b =∂∂-=2λπ, 0>τ (2.1-10) ff T T =, ∞→r , 0>τ (2.1-11) 式中c s ——埋管周围岩土的平均比热容[J/(kg·℃)]；T ——孔周围岩土温度（℃）；T ff ——无穷远处土壤温度（℃）；ρs ——岩土周围岩土的平均密度（kg/m 3）；τ——时间（s ）。

由上述方程可求得τ时刻钻孔周围土壤的温度分布。

其公式非常复杂，求值十分困难，需要采取近似计算。

当加热时间较短时，柱热源和线热源模型的计算结果有显著差别；而当加热时间较长时，两模型计算结果的相对误差逐渐减小，而且时间越长差别越小。

一般国外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模型是线热源模型的结论，当时间较长时，线热源模型的钻孔壁温度为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅+=τλρπλs s s b s l ff b c d Ei q T T 16412 (2.1-12) 式中⎰∞-=xS dS S e x Ei )(是指数积分函数。

当时间足够长时，γρτλτλρ-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s s b s s s s b c d c d Ei 2216ln 16，γ是欧拉常数，577216.0≈γ。

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=τλρπλs s s b s s c d Ei R 16412为钻孔外岩土的导热热阻。

由式(2.1-5)和(2.1-11)可以导出时刻循环介质平均温度，为 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⋅+=τλρπλs s s b s b l ff f c d Ei R q T T 16412 (2.1-13)式(2.1-6)和(2.1-13)构成了埋管循环介质与周围岩土的换热方程。

式(2.1-13)有两个未知参数，周围岩土导热系数λs 和容积比热容ρs c s ，利用该式可以求得上述两个未知参数。

2.2 现场测试方法2.2.1一般规定在岩土热响应试验之前，应对测试地点进行实地的勘察，根据地质条件的复杂程度，确定测试孔的数量和测试方案。