在地源热泵的勘察要求中有测量岩土温度的要求,请问是否有相应的勘察规范,如何测量?

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目录
1.项目简介.1
2.测试目的.1
3.测试设备.2
4.测试要求.3
5.测试原理.3
5.1土壤平均温度测定.3
5.2土壤导热系数的测定.3
6.测试步骤.5
6.1.测试孔的构建.5
6.1.1. 1#测试孔的构建（篮球场旁）.6
6.1.2. 1#测试孔钻孔揭示地层.7
6.1.3. 2#测试孔的构建（锅炉房旁的草地）.7
6.1.4. 2#测试孔钻孔揭示地层.8
6.2.环路平均温度的测定.9
6.3.导热系数的测定.9
6.3.1. 2#孔导热系数的测定.9
6.3.2. 1#孔导热系数的测定.10
7.测试数据分析.10
7.1.功率分析.10
7.1.1. 1#测试孔功率分析.10
7.2.2. 2#测试孔功率分析.11
7.2.环路平均温度.12
7.2.1. 2#测试孔环路平均温度的测定.12
7.2.2. 1#测试孔环路平均温度的测定.13
7.3导热系数的测定.15
7.3.1. 1#测试孔导热系数的测定.15
7.3.2. 2#测试孔导热系数的测定.16
8. 测试结论.18
9. 改进措施.19
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1
绪论
土壤源热泵系统作为一项绿色、节能、环保的系统技术,不但能实现节能和
环保,而且能克服风冷热泵机组随环境温度变化而恶化的缺陷,确保建筑设备获得
稳定和可靠的运行负荷,提高建筑物的空调效率.但是由于系统采用地下埋管换热
器,使得土壤源热泵在设计上比空气源、水源热泵系统困难很多.比如,室外空气
的温度、湿度一旦知道,空气源热泵系统的性能就能确定,而土壤源热泵的地下埋
管换热器的设计有很多不确定因素,所以地下埋管换热器的研究一直是土壤源热泵
技术的难点,同时也是该项技术的核心和应用的基础.
本文在理论指导下,对地下埋管换热器的换热性能以及土壤的热物理性能进
行测试,对土壤源热泵系统的工程设计提供指导和数据支持.
1.项目简介
该项目为连云港连云区海关地下土壤热交换的测试及地下土层结构的勘察,
材料选用伟星HDPE100高密度聚乙烯管材,下管形式为双U型,地埋管管径为
D25,下管深度为100m.
2.测试目的
对于土壤源热泵系统设计来说,土壤热物理性质是基础性的设计依据,其中
土壤的综合导热系数是其中最有参考价值的参数,它包含了土壤（岩石）,回填
料,以及塑料管壁等综合的导热系数；国外研究人员通过实验测出土壤和岩石两类
的导热系数,其数量级可以由0.4 W/(M ℃) 至6.0 W/(M ℃),且随其密度及湿度
不同； 据测算,在常用的范围内,土壤导热系数若增加一倍,所需要的垂直地埋
管长度,可以减少20% 以上；由于设计人员只能在某种土壤或岩石导热系数范围
内采用较低值,导致设计钻孔的数量比实际需要的多,增加了项目成本.
土壤热物理性质的现场测试,目的就是降低这种综合导热系数的不确定性,为
土壤换热器提供更经济的设计,并且在测试孔的钻井过程中,可以了解到施工现场
的地质分布情况,为以后施工机械以及工期的安排提供极有价值的参考!
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2
3.测试设备
采用图1设备对地下埋管换热器进行测试
接 形管进水
接形管回水
泻水口
保温箱体
水泵
电加热器
配电及控制箱水箱
图1
主要设备如下：
² 保温箱体
² 水箱
² 进出孔温度测试器
² 数据采集器
² 电加热器,有三个独立的电加热器组成,分别为1KW、2KW、4KW,可根据
实际情况实现1～7KW的无级调节
² 水泵：扬程为10m,设定额定流量为1.5m 3/h
² 调节阀：装置在保温箱体外,作用是在测试开始时,通过调节水流量,把
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温差稳定在一定范围内.
4.测试要求
a、为获得精确的结果,测试必须进行至少24个小时；
b、功率要求：当标准偏差小于平均功率的2％,或最大偏差小于平均功率的
10.0％时,就可以获得可接受的功率质量.当偏差增大时,如果环路平均温度的最
大偏差小于0.3℃,得到的结果也是可以接受的.热量速率应为50－80 W/m,为
了达到这个要求,现场需要一个有很稳定的输出功率,即要求输入电压稳定.
c、要合理设计一个地源环路必须知道环路中土壤的二个系数,它们是：
l 土壤深层稳定的平均温度
l 土壤综合导热系数
5.测试原理
5.1 土壤平均温度测定
埋管结束后立即将管内充满清水,并进行封口,一个星期左右孔内回填料已经
充分凝固,管内清水已跟大地充分换热,因此测试必须在埋管封口后至少间隔一个
星期才能进行,测试开始打开循环水泵直接测试进,出孔温度二小时,以进出孔平均
温度作为土壤平均温度.
5.2 土壤导热系数的测定
土壤导热系数是土壤源热泵设计过程中最基本也是最重要的参数,它直接和
土壤源热泵系统的埋地换热器的面积和参数有关.
在本次测试中,采用了现场测试的方法,使测试工况和运行工况一致,并采用
线热源模型方法(Magensen 1983,Eskilson 1987,Hellstrom 1991)对测试数据进行
分析.
根据以下这个公式(1):
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4
( )
ú ú ú
û
ù
ê ê ê
ë
é
+
÷ ÷ ÷
ø
ö
ç ç ç
è
æ
-
÷ ÷ ÷
ø
ö
ç ç ç
è
æ
- ÷
÷
ø
ö
ç ç
è
æ
= + Rb Tsur
rb
a
H
t Q
H
T Q f g
pl pl
ln 4
4
ln 1
4
(1)
其中: f T 为平均温度(℃)
Q为功率（W）
l为导热系数(W/m,K)
H为有效孔深(m)
t为测试持续的时间(s)
a为热量扩散率(m2 / s )
Rb为导热热阻[K/(W/m)]
g 为欧拉系数(0.5772)
rb为孔的外径(m)
Tsur为土壤的初始温度(℃)
这个公式可以简化为公式(2)
T = k × ln (t)+ m f (2)
这里k和m是定值,
k=
H
Q
4pl
(3)
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5
m=
ú ú ú
û
ù
ê ê ê
ë
é
+
÷ ÷ ÷
ø
ö
ç ç ç
è
æ
-
÷ ÷ ÷
ø
ö
ç ç ç
è
æ
- ÷
÷
ø
ö
ç ç
è
æ
Rb Tsur
rb
a
H
Q g
pl
ln 4
4
1 (4)
根据公式(3)可以得出k是导热系数的一个参数, 如公式（5）
4 k H
Q
× ×
=
p
l (5)
根据测试数据,利用软件可以得出加热状态下环路平均温度f T 对应时间t 变
化的曲线图,根据这个曲线图在软件中可以再得出f T 对应ln(t)变化的曲线图以及曲
线的斜率,这个斜率即为公式(2)中的k值.
公式(3)中Q、H 已知,而k 值也已得出,故根据公式（5）可以代入数据算
出导热系数.
6.测试步骤
6.1.测试孔的构建
经施工队与业主协商,定下两个测试孔的位置,孔位图如图6.1所示.
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6
锅炉房
2#孔
约19米
篮球场
1#孔
约90米
图 6.1 测试孔定位示意图
6.1.1. 1#
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6.1.2. 1#测试孔钻孔揭示地层
深度
（相对自然地坪） 地质情况
0-2米回填土层
2-5米回填碎石层
5-10米淤泥层
10-13米黄土层
13-28米砂层（黑砂）
28-52米砂岩层（黄砂岩）
52-75米中风化层
75-90米弱风化层
90-100米石灰岩
6.1.3. 2#
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1
8
6.1.4. 2#测试孔钻孔揭示地层
深度
（相对自然地坪） 地质情况
0-3米回填土层
3-6米回填碎石层
6-12米淤泥层
12-18米黄粘土层
18-26米砂层（黑砂）
26-40米砂岩层（黄砂岩）
40-80米中风化层
80-90米弱风化层
90-100米石灰岩
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2
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6.2.环路平均温度的测定
我工作人员测试顺序为先对2#孔进行测试,再对1#孔进行测试,因两个孔进
行测试的步骤基本一样,故在此不重复描述,我方在此阐述测试孔的环路平均温度
的一般测试步骤.
a、保证在整个试验过程中都必须有足够的电来供应,将土壤测试仪（TCT）
与稳定电源通电；
b、通过三通将两组U 型管并联接成一组,并将该组PE 管与TCT 所带软管连
接好.
c、将TCT到孔的线路保温绝缘；
d、在水箱里加清水至浮球阀位置；
e、打开数据采集系统,运行环路平均温度程序；
f、检查数据是否被记录下来,设定每隔30秒记录一次数据；
g、打开TCT泵；
h、采集系统开始稳定,设定测试时间为2 小时,测试时间到后电脑自动关
闭数据采集程序并储存数据资料.
6.3.导热系数的测定
我工作人员测试顺序为先对2#孔进行测试,再对1#孔进行测试,以下为测试
步骤.
6.3.1. 2#孔导热系数的测定
a 以孔深为计算基础,通过模拟计算测试设置电加热,保证热量速率可以达
到50～80 W/m的要求；
b 打开数据采集系统,运行导热程序,设定电加热功率为6KW,测试开始时
间2008-2-21 9:19:00；
c 检查数据是否被记录下来,设定每隔一分钟记录一次数据,确定数据记录
下后,打开TCT泵；
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d 观察几小时后,发现数据采集器所得电加热功率值一直在5KW 以下,原因
可能是当地电压值偏小,为了保证热量速率可以达到50～80 W/m 的要求,故在
2008-2-21 13:04将电加热功率调整为7KW.
e 测试时间到后电脑自动关闭数据采集程序并储存数据资料,测试人员关
闭电加热器与TCT 泵,2#测试孔于2008-2-22 13:48 结束测试,不间断持续时间
为28.5小时.
6.3.2. 1#孔导热系数的测定
a 以孔深为计算基础,通过模拟计算测试设置电加热,保证热量速率可以达
到50～80 W/m的要求；
b 打开数据采集系统,运行导热程序,设定电加热功率为6KW,测试开始时
间2008-2-21 9:19:00；
c 检查数据是否被记录下来,设定测试时间为24.5 小时并每隔一分钟记录
一次数据,确定数据记录下后,打开TCT泵；
d 测试时间到后电脑自动关闭数据采集程序并储存数据资料,测试人员关
闭电加热器与TCT 泵,1#测试孔于2008-2-23 22:53 结束测试,不间断持续时间
为24.5小时.
7.测试数据分析
7.1.功率分析
7.1.1. 1#测试孔功率分析
1#测试孔测试时间24.5小时,测试设定加热功率为6KW,经我公司对0～24.5
小时测试所得功率数据进行核算,算得平均功率为5.214KW,标准偏差为0.08KW,
标准偏差为平均功率的1.53％,达到测试所需要求.
下图7.1.1为1#测试孔0～24.5小时功率随时间变化曲线图.
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11
4.7
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
0
0.68
1.37
2.05
2.73
3.42
4.1
4.78
5.47
6.15
6.83
7.52
8.2
8.88
9.57
10.3
10.9
11.6
12.3
13
13.7
14.3
15
15.7
16.4
17.1
17.8
18.4
19.1
19.8
20.5
21.2
21.9
22.5
23.2
23.9
Time(hour)
Power(KW)
图7.1.1 1#测试孔功率变化曲线
7.2.2. 2#测试孔功率分析
2#测试孔测试时间28.5 小时,观察几小时后,发现数据采集器所得电加热功
率值一直在5KW 以下,原因可能是当地电压值偏小,为了保证热量速率可以达到
50～80 W/m的要求,故在2008-2-21 13:04将电加热功率调整为7KW.
电加热功率调整前的数据不为采用,经我公司对调整后即2008-2-21 13:05至
2008-2-23 13:49测试所得功率数据进行核算,算得平均功率为5.76KW,标准偏差
为0.096KW,标准偏差为平均功率的1.67％,达到测试所需要求.
下图7.2.2为2#测试孔3.77～28.5小时功率随时间变化曲线图.
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5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6
3.77
4.47
5.17
5.87
6.57
7.27
7.97
8.67
9.37
10.1
10.8
11.5
12.2
12.9
13.6
14.3
15
15.7
16.4
17.1
17.8
18.5
19.2
19.9
20.6
21.3
22
22.7
23.4
24.1
24.8
25.5
26.2
26.9
27.6
28.3
Time(hour)
Power(KW)
图 7.2.2 2#测试孔功率变化曲线
7.2.环路平均温度
7.2.1. 2#测试孔环路平均温度的测定
工作人员先对2#孔进行测试,测试时间设定时间为2 小时,每隔30 秒记
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13
录一次数据,图7.2.1为进出水平均温度随时间变化曲线图.
Loop Average Bore Temperature
12
12.2
12.4
12.6
12.8
13
13.2
13.4
13.6
13.8
14
14.2
14.4
14.6
14.8
15
15.2
15.4
15.6
15.8
16
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
Date Record Times
Temperature(DegC)
图7.2.1 环路平均温度变化曲线
从以上数据可以看出,温度稳定下来后,测试孔环路平均温度基本保持在
15.67℃,这个温度可以认为就是当地土壤的平均温度,测试孔进出水是有一段温
差,产生这个温差的原因是循环水要带走一部分水泵运行的发热量,同时测试设备
与外界空气存在一定的换热.
7.2.2. 1#测试孔环路平均温度的测定
2#孔测试结束后,随即对1#孔进行测试,根据2#孔测试数据,环路平均温度
在测试开始一小时后基本可以保持稳定,故1#孔测试设定时间调整为1.5 小时,每
隔15秒记录一次数据,图7.2.2为进出水平均温度随时间变化曲线图.
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14
14
Loop Average Bore Temperature
13.4
13.6
13.8
14
14.2
14.4
14.6
14.8
15
15.2
15.4
15.6
15.8
16
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
Date Record Times
T e m p e r a t u r e ( D e g C )
从以上数据可以看出,温度稳定下来后,测试孔环路平均温度基本保持在
15.72℃,这个温度可以认为就是当地土壤的平均温度,测试孔进出水是有一段温
差,产生这个温差的原因是循环水要带走一部分水泵运行的发热量,同时测试设备
与外界空气存在一定的换热.
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7.3 导热系数的测定
7.3.1. 1#测试孔导热系数的测定
根据测试数据,前3 个小时温度变化较快,测试对数据的要求是平稳变化,故
前三个小时的数据不采用,图7.3.1 所示为加热状态下环路进出水平均温度f T 对应
时间t变化的曲线图：
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Time(hour)
Average Loop Temperature (Deg C)
图7.3.1.1 平均温度f T 对应时间t 变化的曲线图
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16
16
根据上图所示曲线,可以得出f T 的时间对数曲线图,如图7.3.1.2所示：
Line Source Model - Source Method
y = 1.5138Ln(x) + 19.403
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Time(hour)
Average Loop Temperature (Deg C)
图 7.3.1.2 平均温度f T 对应时间t 变化的曲线图
软件可由图7.3.1.2对数曲线图得出下式：
y=1.5138ln(x)+20.067
对应公式（2）T = k × ln(t)+ m f 及4.2所述相关原理,得出k=1.5138
由公式（5）知导热系数
4 k H
Q
× ×
=
p
l ,测试数据所得Q=5.214 KW,H 由钻孔日
志查出为101.5m,将公式（5）代入相关数据：
4 k H
Q
× ×
=
p
l =
4 1.5138 101.5
5.214
´p ´ ´
=2.702 W/m,K
7.3.2. 2#测试孔导热系数的测定
根据测试数据,加热状态下环路进出水平均温度f T 对应时间t 变化的曲线图如
图7.3.2.1所示：
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17
17
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Time(hour)
Average Loop Temperature (Deg C)
图 7.3.2.1 平均温度f T 对应时间t 变化的曲线图
根据上图所示曲线,可以得出f T 的时间对数曲线图,如图7.3.2.2所示：
Line Source Model - Source Method
y = 1.6658Ln(x) + 20.067
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Time(hour)
Average Loop Temperature (Deg C) 图
7.3.2.2 平
均
温
度
f
T
的
时
间
对
数
曲
线
图
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软件可由图7.3.2.2对数曲线图得出下式：
y=1.6658ln(x)+20.067
对应公式（2）T = k × ln(t)+ m f 及4.2所述相关原理,得出k=1.6658
由公式（5）知导热系数
4 k H
Q
× ×
=
p
l ,测试数据所得Q=5.76 KW,H 由钻孔日
志查出为101.7m,将公式（5）代入相关数据：
4 k H
Q
× ×
=
p
l =
4 1.6658 101.7
5.76
´p ´ ´
=2.707 W/m,K
8. 测试结论
1）从两个测试孔的钻孔过程中可以看出,由于当地浅层土壤地质复杂（前15-
20 米深含淤泥、粘土）,用潜孔锤下套管进度缓慢,需要花费4-5 个小时时间,
占整个钻孔时间的一半,所以对于连云港海关地埋施工工程,建议先使用小钻机下
套管,套管深度需18 米左右,套管下好后用潜孔锤钻孔,这样可适度减少施工成
本和施工工期.
2）当地浅层土壤平均温度在15.7℃左右,该数值对在当地以及周边地区进行土
壤源热泵系统设计具有重要的参考价值.
3）根据钻孔日志和测试所得数据,利用我公司软件计算,得出了测试孔的换热
能力,具体见下表：
测试孔名称
土壤综合导热系数
（ W/m,K）
孔的灌浆料
1#
（锅炉房旁草地）
2.702 水泥、泥浆
2#
（篮球场旁草地）
2.707 水泥、细砂
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19
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以上所得数值是根据严密的科学公式推导得出的,受外界因素影响可能存在
一定偏差,但该数值仍对在当地以及周边地区进行土壤源热泵系统设计具有重要
的参考价值.
4）单位换热孔的换热量是与换热管内的流体特性、换热管的材料特性、周围土
壤的土质、土壤的赋水情况及如果含水层内水是否流动、回填料的特性及土壤的原
始温度和换热管内流体的温度等诸多因数有关,这些因素都直接影响着整个土壤换
热器的换热能力,由于地下的土壤结构及分布比较复杂,所以,单纯地对某一层或
几层土壤自身的导热系数进行测试,利用测试数据来研究整个换热孔的换热性能是
不够准确的,也即这样测试的数据没有实用性.因此我们这次通过测定的换热孔的
换热量（稳定值）来推算整个土壤的综合传热系统,推算的结果反而更加准确且实
用.
实际上尽管保温箱外部已做了保温措施,但仍不可避免有相当一部分热量会
散失到环境中,以往的测试经验表明在5％内,所以本工程每米井深双U 散热量
建议值70～75W/m,具体多少需根据土壤综合传热系数以及机组进水温度设计最
高、最低值、全年土壤散热量/吸热量等参数才可计算准确.
9. 改进措施
1）进、出孔温度利用温度传感器将相应数据记录在电脑中并保存,我公司做测
试前对仪器进行了核对,并对出孔到测试箱的PE管进行了保温处理,不过
由于夜晚寒冷以及测试仪器不能与外部空气完全隔热,最终所得温度数据不
可避免存在一定误差,导热系数的误差在3％内是正常的,我公司对这方面
一直在研究改进.
2）在土壤导热系数计算过程中,目前有学者提出采用更精确的柱状有限长模
型以及参数估计的方法进行计算,有文献对线热源模型方法、柱状有限长
模型方法以及参数估计方法进行了对比研究,在以后的工作中,可以考虑
采用这两种方法来计算土壤导热系数,对模型进行改进.
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