浅层地温能资源参数测试及高效采集、转化技术-郑佳

讲解人：郑佳浅层地温能利用参数测试及高效采集技术研究一、

国内外研究概况二、

热物性参数测试方法三、

浅层地温能高效采集技术研究四、

结语国内外研究概况1国外：浅层地温能的开发利用已有近百年的开展历程，在欧美、日本等兴旺国家已非常成熟。热泵机组、地埋管换热器以及系统设计、安装已具有一整套标准、标准、计算方法和施工工艺。国内：我国热泵技术的研究开发工作开展得比较晚，但凭借其平安高效、绿色环保等特点，热泵技术开展迅速。一些国内大学、科研院所纷纷进行地源热泵实验系统研究，热工性能的研究，传热强化技术、传热模型的理论与试验研究，土壤耦合热泵系统冬夏季启动特性的实验研究，地下埋管的铺设形式及管材的研究，回填材料的研究，土壤冻结对地下埋管换热器传热性能的影响，系统设计与安装问题的研究等。一、

国内外研究概况二、

热物性参数测试方法三、

浅层地温能高效采集技术研究四、

结语热导率实验室测试方法1

岩土体属于非导电固体，其热导率可以通过理论和实验两种方法来确定。理论上，可以通过研究物质的导热机理，确定物质的导热模型，通过复杂的数学分析等方法来确定物质的热导率，但是分析过程复杂，所以实验法仍然是目前确定岩土体热导率的主要途径。热导率实验室测试方法1热导率测量方法稳态法非稳态法纵向流法径向热流法直接电加热法热电法热比较法福勃棒法周期热流法瞬态热流法绝对法比较法混合法圆柱体法矩形棒法绝对法比较法径向热流法闪光法纵向热流法热线法热探针法热带法径向热流法纵向热流法3W法常功率平面热源法按照试样在测试过程中的温度分布是否随时间变化，可以将热导率测试方法分为两大类：即温度不随时间变化的稳态法和温度随时间变化的非稳态法。热导率实验室测试方法1瞬态法稳态法测试方法优点缺点瞬态法装置简单，测量时间短，工质本身温升小，所需样品量少，同时测出多个物性参数对于热丝的质量和安装及数据采集系统的采集速度和精度有很高要求稳态法原理简单，容易实现，适用范围广，准确度高，数据处理简单实验周期长，每次实验都必须处于热稳定状态，系统易受外界干扰，对流影响较大不同测试方法测试精度分析2目前热导率测试应用较多的是瞬态热线法、瞬态热源平面法和激光闪光法。通过把在同一地点现场采取的粉质粘土、粘质粉土样品制成33件样品，分别采用以上三种方法测量各样品的导热系数，测量数据采用相对误差分析法〔〔最大值或最小值—平均值〕/平均值〕进行处理，得出各测试方法的相对误差。瞬态热线法和平面热源法测试精度较高，闪光法最低。

样品制备规格对测试精度影响分析3同一样品三种直径热导率测试结果的误差在5%以内。

参照土工试验的制样方法，选取了Φ70mm、Φ60mm、Φ50mm三种环刀口径对现场采集的两个土样制作测试样品，进行相应的热导率测试。样品储存时间对测试精度影响分析4对4个现场采集的土样用保鲜膜储存15天，每天取出来测量其热导率，分析热导率值随时间的变化。15天内每天测试，热导率测试值变化小于<0.1W/mK。

岩土热物性参数原位热响应试验测试法5岩土初始平均温度测试采用水温平衡法：测试原理是测试孔安装完成后在PE管内充满水，足够时间后，PE管内的水与岩土体的温度到达平衡，此时通过水泵循环将PE管内的水泵出，同时监测水温的变化，从而分析岩土体的温度；热物性参数测试采用稳定工况或稳定热流法：稳定工况方法测试原理是测试车建立稳定的地埋管换热器的运行工况，即稳定的设备供水温度和循环流量，在工况稳定的情况下测定地埋管换热器的换热量，结合必要的计算参数通过传热模型计算得到换热孔综合导热系数；岩土热物性参数原位热响应试验测试法5稳定热流方法测试原理是通过测试车向地埋管换热器提供恒定热流，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据，对数据分析处理计算后得到换热孔的平均导热系数。实验室测试和原位热响应测试参数比照6孔深或层位40m60m80m40~60m60~80m实验室测试平均导热系数1.561.451.391.241.21现场测试平均导热系数1.721.611.571.391.45导热系数差值0.160.160.180.050.24差异比例9.3%10%11.5%10.8%16.6%实验室测试岩土样品的导热系数，由于饱水的原状样在运输、存放和制备的过程中存在水分的局部流失，造成含水率下降，使得测试结论要比岩样的实际导热系数偏低。在顺义某地测试结论比照中，差异比例随地层粒径增大而增大，说明在上述过程中饱水砂层比粘土层的失水更加严重。在实验室测试中岩样中的水分是静止不动的，而在现场测试中地下水是流动的，在相同的含水率或是均为饱和状态下的相同岩性地层中，地下水径流强度会对测试结论产生显著影响，地下水的流动所带来的对流换热可显著提高地层换热能力。一、

国内外研究概况二、

热物性参数测试方法三、

浅层地温能高效采集技术研究四、

结语施工及材料对换热能力影响1双U管DN32与DN25对比回填料对比双U与单U对比单U管DN32与DN25对比换热器深度研究埋管方式对换热能力影响2工况项目1#换热孔水平埋管埋管参数埋管深度（位置）80米2.5米总管长320米220米管径DN32DN32地层原始温度13.5℃15℃测试工况进口温度35.0℃34.2℃出口温度31.8℃30.9℃换热温差3.2℃3.3℃流量1.60m³/h2.55m³/h换热量75.49/延米37.95/米综合换热系数3.80W/（m·℃）3.06W/（m·℃）标准工况排热量72.2/延米37.28/米取热量30.4/延米20.24/米不同地质因素对换热能力影响3不同气候带岩土体原始温度比照图不同气候带下岩土体原始温度与平均导热系数比照图通过比较不同气候带岩土体的测试成果数据，可以发现，随着工程所在地在中温带、南温带、北亚热带、中亚热带的分布，土壤的浅表层温度逐渐升高，引起岩土体的原始温度增加。岩土体原始温度与平均导热系数之间没有明显相关性。不同气候带不同地质因素对换热能力影响3系统名称所在区县钻孔编号孔深（m）延米换热量（w/m)钻孔深度范围内地层描述潮白河冲洪积扇上游怀柔HR-1110051.9地层时代属于第四系，地层结构以颗粒较粗的卵漂石、砂砾石、粗砂、中砂及细砂为主潮白河冲洪积扇中游顺义HR-1210069.27地层时代属于第四系，钻孔深度范围内地层结以粉土、粘土、粉砂、细砂、中砂、粗砂及卵石为主顺义HR-815066.7地层时代属于第四系，钻孔深度范围内地层结构以泥砂、细砂、中砂、粗砂为主，含有少量卵石潮白河冲洪积扇下游通州HR-1313065.6地层时代属于第四系，钻孔深度范围内地层结构以粘土、粉砂、细砂、及中砂为主通州HR-415062.5地层时代属于第四系，钻孔深度范围内地层结构以粉质粘土、粉砂、细砂和中砂为主不同水文地质条件不同地质因素对换热能力影响3开展抽水试验同时进行现场换热试验，通过改变地下水径流条件观测地层换热能力变化。其中抽水试验布置抽水井1眼，观测井3眼；现场换热试验布置换热测试孔2眼。不同地下水流速不同地质因素对换热能力影响3未抽水时试验区水位等值线图抽水量30m3/d试验区水位等值线图地下水径流条件的改变会对换热能力产生影响，从试验结果看，流速越大换热效果越好，建议对于富水性较强地区进行地埋管换热器设计时，应考虑地下水水位及流速等因素，有利于实现浅层地温能资源的合理、高效采集。一、

国内外研究概况二、

热物性参数测