在岩土探测作业过程中总是离不开各种探测工具的，岩土热物性测试仪就是其中一种，本文主要探讨了岩土热物性测试仪的工作原理与结构设计。
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文章介绍了岩土热物性测试仪的组成、测试原理和测试方法，通过对实际工程的实际测试，运用自制软件结合当地地质构造计算出了岩土综合导热系数和单位延米的换热量，不但为后期地源热泵项目的设计提供参考依据，也促进了地源热泵技术在河北省的发展。
1 概述
地埋管源热泵是一项利用可再生能源进行供暖供冷的节能环保技术，它利用埋设于地下的地埋管换热器与土壤交换热量，提升可再生浅层地热能的能量品位，进行供暖供冷，从而达到高效节能的效果。而地埋管地源热泵系统效果的关键和设计的重要依据则是地埋管的换热性能及岩土热物性。岩土热物性参数可以根据地层的岩性及物理性质指标查阅相关地质手册、室内试验法或者现场测试法获取。查阅法获得的热传导系数往往范围比较广，取值偏于保守，极有可能造成投资浪费;室内试验法需采取现场土样进行试验，由于采集的土样脱离了天然的地质环境，其测试结果不能反映实际岩土的热物性特征。现场测试法避免了以上两种方法的缺点，给出了整个钻孔深度地层的平均热物性特征，在实际工程中更为准确可靠，是目前大多数地源热泵地质勘查所采用的技术方法。为了更高效地利用地源热泵技术，推动地源热泵在河北省的快速稳定发展，河北省科学院能源研究所与河北省地源热泵检测中心联合开发了TPS-Ⅳ岩土热物性测试仪，并申请了国家专利，拥有独立知识产权。
2 TPS-Ⅳ岩土热物性测试仪
2.1 测试方法与原理
该仪器主要测试部件由流量传感器、温度传感器、热泵机组、水泵及管道、数据采集用计算机等组成。结构简图如图1所示：
测试仪工作的过程中，地埋管换热器的工作介质(水或防冻液)由A口经过1#温度传感器、水泵、热泵机组进行热交换，然后经流量传感器、2#温度传感器，由B口流出测试仪，进入地埋管换热器与深层岩土进行热交换后，又由地埋管换热器出口进入测试仪，形成全封闭的工作循环。1#、2#温度传感器和流量传感器将循环过程中的进出口温度、流量采集并转换成数字信号，由通讯转换器集中并转换成上位机能够接收的RS232通讯协议，实时传输给上位计算机进行分析、显示和存储。通过测量地埋管换热器进出水的温差和流量值来计算出岩土的平均热物性参数。实物图如图2所示：
测试软件采用Borland Delphi 7编程语言来编制，系统短小精悍，运行稳定，每一分钟采集并记录一次进出水温度及流量，并将所采集的数据实时储存到Access数据库中，以备后续的分析整理。
2.2 传热模型及数据处理
2.2.1 钻孔内传热。地埋管传热的过程可以当作线热源或柱热源在无限大空间的非稳态传热过程。即根据参考文献[7]～[9]单U地埋管钻孔内的传热热阻：
双U地埋管钻孔内的传热热阻：
3 案例分析
TPS-Ⅳ岩土热物性测试仪的成功研发，先后为河北省石家庄、沧州、衡水、秦皇岛、唐山、廊坊以及河南省信阳和新乡等地20余项地源热泵工程项目提供地下岩土热物性测试服务工作，并利用GeoStarV3.0软件对系统进行了运行模拟，均取得了科学有效的地下岩土热物性参数，为项目单位合理布置埋管型式及埋管长度提供了重要参考。下面以沧州市某项地源热泵项目岩地下岩土土热物性测试工作为例说明具体应用测试情况。
3.1 项目概况
沧州市某项地源热泵项目位于沧州市，建筑面积约为72720.37m2。测试孔深120m，地埋管型式为双U型，地埋管材质为HDPE100/DN32管，测试孔回填材料为原浆回填。钻孔地层构造柱状图如图3所示：
由图3可以看到，该地层构造主要由沙土层和胶泥层组成，其中沙土层厚度70.9m，胶泥层厚度45.9m，其他成分厚度3.2m，较适合地埋管地源热泵项目的实施。
3.2 数据处理
按照《地源热泵系统工程技术规范》(条文说明)附录C.3中推荐的方法：导热系数及比热容采用恒功率法。系统连接完毕后，分别采用恒功率测试法和恒温测试法测试，以取得岩土导热系数、比热容;单位孔深换热量。其中恒功率测试有效时间为48小时，恒温法有效时间为2.5小时。有效测试时间内地埋管进出口温度随时间变化曲线如图4所示。
由图4可以看出，加热器工作稳定，进出口水温曲线连续平缓，波动很小。土壤的初始温度为15.75℃，测试孔的进出口平均温度为30.3℃，平均温差3.03℃，实际平均加热功率为5.18kW，流量为1.933m3/h。
通过上述公式及自制软件对测试数据的计算得到：项目所在地埋孔测试区域岩土平均导热系数为2.10[W/(m・k)]，土壤容积比热容为7×106(J/m3・℃)。孔单位孔深换热量采用恒温法测试，测试仪模拟热泵机组夏季制冷工况，向地下岩土放热，地埋管进口温度恒定在33℃，稳定时间2.5小时，根据上述公式计算可得：测试孔单位埋深换热量为56.76W。
根据岩土地层结构分析和综合导热系数以及换热量分析，该项目在该地区岩土导热系数较高，岩土具有良好的导热能力，在经济性方面也在合理的预期之内，所以比较适合地埋管地源热泵空调系统，同时测试计算出来的热物性参数也可以成为空调供热系统设计参数的重要参考。
4 结语
通过对该项目热响应试验数据分析计算得到，该项目岩土平均导热系数为2.10[W/(m・k)]，土壤容积比热容为7×106(J/m3・℃)。地埋管进口温度恒定在33℃，测试孔单位埋深换热量为56.76W。该数据可以为此项目的设计提供一定的参考，同时该仪器的测试结果也得到了很好的验证，目前该项目运行效果良好，仪器已经投入到河北省地源热泵检测应用中，得到业内人士的好评。
参考文献
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