一  概述

    在淺層地?zé)崮芾霉こ痰那捌?，巖土熱物性參數(shù)是對(duì)淺層地?zé)崮芾眠M(jìn)行可行性評(píng)價(jià)及巖土換熱器設(shè)計(jì)至關(guān)重要的參數(shù)，其中以巖土熱傳導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）最為關(guān)鍵。巖土熱物性參數(shù)受巖土的成分，含水率，以及地下水流的影響。在這里，巖土傳熱性能是通過綜合熱傳導(dǎo)率（綜合導(dǎo)熱系數(shù)）來進(jìn)行評(píng)價(jià)的。埋管區(qū)域內(nèi)巖土顆粒之間的熱傳導(dǎo)、巖土和地下水之間的自然熱對(duì)流、地下水流動(dòng)所引起的的熱量變化以及換熱器與巖土之間的熱傳導(dǎo)，受以上所有因素的影響，巖土所表現(xiàn)出來的熱傳導(dǎo)性能參數(shù)，我們稱之為巖土綜合熱傳導(dǎo)率。巖土的綜合熱傳導(dǎo)率需要通過熱響應(yīng)試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得知。熱響應(yīng)試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型一般是以線熱源理論為基礎(chǔ)而建立的。下面就針對(duì)熱響應(yīng)試驗(yàn)和線熱源理論進(jìn)行論述。

    二  線熱源理論

    線熱源理論是指將地埋管換熱器看作是垂直于其徑向截面的一個(gè)無限長線性熱源。通過線熱源向地層放熱，線熱源溫度及巖土溫度會(huì)從原始地層溫度開始變化，在其半徑方向上的巖土中會(huì)形成一個(gè)溫度場(chǎng)。其溫度變化量可由式1表示。線熱源理論有幾個(gè)假設(shè)條件：

    1 線熱源長度方向上的放熱功率是不變的。
    2 線熱源半徑相對(duì)于其長度是可以忽略的。
    3 線熱源周圍的巖土是被看作單一，均質(zhì)的。
    4 巖土內(nèi)的整個(gè)傳熱過程是一個(gè)單純的熱傳導(dǎo)過程。

圖1   線熱源巖土溫度場(chǎng)時(shí)間變化示意圖

  其中，       式1[1]

       采用換熱器出入口流體溫度的平均值來近似換熱器自身的溫度，將式1、2代入式3中，經(jīng)過整理后得到式4，這個(gè)關(guān)系式表現(xiàn)了換熱器自身溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，顯而易見，換熱器自身的溫度與換熱對(duì)數(shù)時(shí)間成線性關(guān)系，所以只需求出換熱器溫度變化曲線對(duì)數(shù)時(shí)間近似直線的斜率，即可得到巖土綜合有效導(dǎo)熱率。

               式2

                式3

        式4[1]

                  式5

     在這里， ：對(duì)數(shù)時(shí)間近似直線的斜率， ：對(duì)數(shù)時(shí)間近似直線截距， ：巖土綜合有效導(dǎo)熱率[W/(m.℃)]， ：換熱孔有效長度（m）， ：循環(huán)流體的溫度（出入口溫度平均值）（℃）， ：運(yùn)行時(shí)間（sec）， ：換熱孔自身的熱阻值（℃/W）， ：換熱孔的散熱功率（W）， ：循環(huán)流體的溫度變化（℃）， ：巖土的熱擴(kuò)散率（ ）， ：換熱孔半徑（m）。

      三  試驗(yàn)設(shè)備及方法

    以線熱源理論為基礎(chǔ)，在1983年的斯德哥爾摩會(huì)議上Mogensen首次提出了利用地埋管換熱器來評(píng)價(jià)巖土綜合熱傳導(dǎo)率的熱響應(yīng)試驗(yàn)方法，并在1985年利用實(shí)際的地埋管換熱器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)。同期，Eskilson（1984）、Hellstrom(1994)也進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)。如今，熱響應(yīng)試驗(yàn)已經(jīng)成為評(píng)價(jià)巖土綜合熱傳導(dǎo)率的一種有效，可靠的方法。熱響應(yīng)試驗(yàn)的裝置主要由以下幾部分構(gòu)成：

 
    1 循環(huán)泵：強(qiáng)制流體循環(huán)，通過對(duì)流換熱使熱量釋放到巖土中。
    2 電加熱器：給循環(huán)流體加熱，將熱量投入到循環(huán)系統(tǒng)中。
    3 溫度記錄儀、測(cè)溫感應(yīng)探頭、流量計(jì)：測(cè)量換熱器出入口溫度及循環(huán)流量，并以一定的頻率紀(jì)錄在介質(zhì)上。

圖4 巖土熱傳導(dǎo)率評(píng)價(jià)值和試驗(yàn)時(shí)間長度的關(guān)系

    觀察眾多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然由于試驗(yàn)所使用的地埋管換熱器類型不同會(huì)有一些影響，但在大多數(shù)的試驗(yàn)中，試驗(yàn)開始2—4個(gè)小時(shí)內(nèi)，地埋管換熱器出入口溫度差趨于穩(wěn)定。也就是說，在循環(huán)流量一定的情況下，地埋管換熱器以一定功率向巖土釋放熱量。這也滿足了線熱源理論模型的假定條件。筆者曾利用長度為30個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過分析比較，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前4個(gè)小時(shí)刪去，然后把試驗(yàn)數(shù)據(jù)分成不同長度的段，例如，5-10小時(shí)，5-16小時(shí)，5-22小時(shí)以及5-30小時(shí)。利用這些不同試驗(yàn)時(shí)間長度的數(shù)據(jù)，計(jì)算出巖土的綜合熱傳導(dǎo)率，結(jié)果詳見圖4。如圖4中所示，除了第一段的結(jié)果與其他各段相比偏大而外，各個(gè)段的結(jié)果相差并不大。

    而第一段的結(jié)果偏高，可以認(rèn)為是由于試驗(yàn)初期地埋管換熱器自身需要一個(gè)被加熱的過程，而這個(gè)過程對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響會(huì)隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加而減小。在試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到20個(gè)小時(shí)以后，這種影響是可以被忽略不計(jì)的。從另一個(gè)方面來看，將不同的巖土熱傳導(dǎo)率帶入到數(shù)值解析程序當(dāng)中去擬合試驗(yàn)曲線，發(fā)現(xiàn)都表現(xiàn)出了非常高的擬合度，也就說明了在這樣一個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值，其精確度是可以被接受的。所以說，熱響應(yīng)試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該維持至巖土換熱器的出入口溫度差比較恒定后20個(gè)小時(shí)左右為宜，即基本可以控制在25個(gè)小時(shí)之內(nèi)。
下面就以一個(gè)實(shí)例來說明熱響應(yīng)試驗(yàn)的實(shí)施過程和數(shù)據(jù)處理。

    北京朝陽區(qū)某項(xiàng)目擬建地源熱泵空調(diào)項(xiàng)目，在進(jìn)行淺層地溫能利用可行性評(píng)價(jià)過程中，利用現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)孔，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)。測(cè)試孔參數(shù)及測(cè)試條件詳見表1。測(cè)試場(chǎng)區(qū)地層結(jié)構(gòu)詳見地層柱狀圖，地層內(nèi)主要成分為粘土和砂。

 
    圖5所示為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，圖中白色柜子為測(cè)試設(shè)備，其中集成有循環(huán)水泵、加熱器、流量計(jì)、測(cè)溫探頭及溫度記錄儀。該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，但沒有圍擋結(jié)構(gòu)不利于設(shè)備保護(hù)，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出只能以自帶打印機(jī)打印輸出，無法直接取得電子數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)已有自行生產(chǎn)的移動(dòng)式測(cè)試車。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)