地源热泵岩土体热物理性质测量
摘要：本文介绍了岩土体热物理性质测量的研究现状与方法，指出了提高测量精度和速度的途径。
前言
在美国及加拿大等国家，地源热泵作为一种清洁能源获得方式，已经得到了广泛的应用。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。估计在全世界范围内，地源热泵的总台数达到110万台左右。以土壤作为低温热源，并且采用地埋管方式的地源热泵(即地埋管式土壤源热泵)与其它类型的地源热泵相比，有热源理想，环境影响小，运行及维修费用低廉，寿命长等优势，因此被认为有可能成为低密度建筑供暖空调冷热源的主要形式。
地埋管式土壤源热泵通过垂直或水平埋设在地下岩土中的换热系统实现热量交换。该项技术当前需要解决的两个重要问题是：提高换热管与土壤间的传热能力，以及减少工质与土壤间的温差，从而提高热泵效率，降低初投资。合理的地埋管换热系统的设计是解决以上问题的主要途径。在地埋管换热系统的设计过程中，地下岩土的平均热物理性质数据是重要的设计指导参数之一。对于具体工程而言，不同地层地质条件下某些地下岩土的热物性(如导热系数)相差可达10倍之多。如果该组数据掌握不够准确，或导致换热系统设计偏小，不能满足负荷需要;或导致换热系统设计过大，从而大大增加初投资。研究结果表明，当地下岩土的导热系数或导温系数发生10%的偏差，则设计的地下埋管长度偏差为4.5%-5.8%，环管的最高温度产生1.1℃-1.2℃的偏差，而最低温度的偏差也有0.3℃-0.4℃，制冷能力和制热能力有1%的变化。特别对于竖直埋管的土壤源热泵系统，埋管长度的偏差将导致钻孔总长度的变化，由于钻孔成本极高，从而导致系统的初投资远远偏离实际造价。可见，对于地下岩土的热物理性质的研究是非常必要的，该研究直接决定了土壤源热泵系统的经济性和实用性。
一、研究现状与研究方法
在国外，如美国和瑞士等国家，对热物理性的测量从80年代开始，已经做了很多测量的基础工作，形成了比较实用的数据库。例如，瑞士政府委托苏梨世大学和相关的公司合作，对瑞士整个地下岩土体导热系数做了系统的研究，为瑞士地源热泵的推广提供了准确的热物性参数，对地源热泵技术发展产生了推动作用。而在我国，测量土壤或岩土层的热物性，目前主要应用于农业或是油田的输油管道设计，测量深度较浅，缺少地区性服务于地源热泵技术应用深层(0-300M)岩土体热物理性质数据。
地下岩土的导热系数等参数不能像测量温度、热流等进行反向推算，这是一个传热学的反问题。国内外一般采用的方式是，在将要埋设地热换热器的现场钻孔打井，测量井深与实际井深相当，在钻孔中埋设埋管并按设计要求回填，回路中充满水并与测量装置联结。让水在回路中循环流动，自某一时刻起对水加热一定的时间，并测量回路中水的温度及其所对应的时间，最后根据已知的数据，利用传热学理论反推钻孔周围岩土的平均热物性参数。在上述传热过程中做如下假设：1.钻孔中回填材料及周围岩土的物性参数均匀一直;2.埋管与周围岩土的传热是一个二维非稳态传热过程，沿长度方向的传热量忽略不计;3.埋管与周围岩土的换热强度维持不变。
二、待解决的问题
岩土体热物性的现场测量技术的发展是为了消除商用地源热泵系统设计的不确定性。目前的方法是在现场钻孔测量，而这需要大量的时间和资金投入。学者们均致力于研究出一种更加便捷准确的方法来得到土壤的物性。从目前情况来看，提高测量精度和速度主要从以下两个方面着手。
1.传热模型的选择
目前可供使用的模型有线性源模型，柱状源模型以及数值模型等，线性源模型从整体上来说比较简化，数据处理过程也较为方便。该模型将钻孔内外土壤视为整体，忽略了回填材料和土壤的差异。如果在实际测量中，回填材料为钻孔时挖出来的土壤且密实回填，采用线性源模型可以保证一定的精度，因此采用线性源模型比较方便。但是地质一般分层存在差异，在回填时，不可能让钻孔出来的土壤与原来土壤沿深度方向的分层相同，因此钻孔内外土壤的热物性有较大差异。同时，在实际的回填中往往不直接使用钻孔时挖出的土壤，而是在回填土中加入一些提高热传导率的材料，以得到较高的热传导率。在这种情况下，回填部分与大地土壤的差异就更加明显，更应该对它们分别进行分析，此时应选择柱状源模型，在这一模型中，以钻孔壁为界，考虑了钻孔回填部分和大地土壤存在的差异。而数值模型在精度上来说是最高的，但是需要有一定的技术条件，能够编写出实用的程序以及高性能的数值计算技术，目前的国内运用的还不普遍。
2.提高测量仪器的精度
在计算过程中需要用到测量的温度、直径、井深、功率等参数，更加精确地测量和记录这些数据，能够给其后进行的数据处理计算提供准确的原始资料，获得更好的热物性数据。因此测量计算数据时，就需要更加精度和准
确的测量仪器，同时把它们有效的整合在一起，减少数据传递过程中的误差。
3.发展新的技术
目前采用实地钻井的办法，过程比较复杂，测量周期也较长。如果能够开发出革命性的间接式测量技术，缩短测量周期，对于提高测量效率有极大的帮助。
三、结语
具有显著环保优势和节能特点的地埋管式土壤源热泵在商业上的运用前景越来越广泛，而当地岩土体热物性的测量是建造和开发地埋管式土壤源热泵最关键的参数。本文综述了岩土体热物性测量的方法而后原理，在提高热物性数据的精度和速度方面提出了目前国内尚待解决的问题。在未来的研究中，国内学者应着重于数值模型的研究和软件开发。并对我们国不同地区的地下岩土层的数据进行测量和分析，具体判断能够建设地源热泵的地区，建立数据库，从而有利于推广地源热泵技术。
