土壤熱響應測試

目前土壤的導熱特性主要有三種獲得方式：利用簡化模型數(shù)值計算、利用經(jīng)驗估算、做土壤熱特性測試。單純的按照簡化模型計算往往誤差過大；經(jīng)驗的估計值在方案分析階段有一定的參考價值，但一直以來設計人員只能在某種土壤或巖石導熱系數(shù)范圍內保守取用較低值，導致設計鉆孔的數(shù)量比實際需要的多，從而增加了項目投資成本；只有在地源熱泵規(guī)劃施工場所現(xiàn)場進行土壤熱特性測試才能夠獲得完整和準確的土壤數(shù)據(jù)。

土壤熱響應測試裝備包括構件：
1. 試壓、保壓后的成井
2. 巖土熱物性測試儀及其配套軟件，由IGSHPA （國際地源熱泵協(xié)會）推薦，美國原裝進口
3. 數(shù)據(jù)采集儀：土壤導熱能力測試數(shù)據(jù)采集記錄儀HOBO FlexSmart Logger；目前采用HOBOware Pro version2.3.1，由美國Onset Computer Corporation 開發(fā)提供
4. 模擬量輸入輸出模塊
5. 進出水溫度、流量、電流、電壓傳感器
6. 電腦及其顯示設備
7. 信號、電源連接線
8. 穩(wěn)定的單相交流電源

現(xiàn)場測試裝備總圖

土壤熱響應測試原理

如圖所示，由于泵的作用，流體由A口進入，傳感器采集信號。流體通過泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號由傳感器采集，然后流體從B口流出，輸入到埋置于深層巖土中的PE管內，導管內加熱的流體與深層巖上進行熱交換后，又從A口返回到儀器內，形成封閉的循環(huán)。將在一定時間內連續(xù)采集到的功率、溫度等參數(shù)作為測量數(shù)據(jù)，再由線熱源理論公式求出巖土的平均導熱系數(shù)，繼而對地埋管進行換熱計算，達到檢測目的。
數(shù)據(jù)輸出通過專用程序軟件來實現(xiàn)，將采集到的數(shù)據(jù)以特殊的格式存儲在控制柜中的電腦里，也可轉移到其他計算機中；根據(jù)所收集數(shù)據(jù)通過專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析。

測試具體步驟
**步，保證在整個試驗過程中都必須有足夠的電來供應，將實驗平臺與控制柜通電；
第二步，將適配器（測試設備的一種部件）安裝在地下?lián)Q熱器上；
第三步，將準備好的絕緣軟管與試驗設備連接起來，將軟管保溫，避免受外界環(huán)境影響（如太陽下直射等因素），有必要用帳篷進行遮蓋，以免影響試驗效果。
第四步，通過注水管向試驗系統(tǒng)中注水，保證系統(tǒng)運行的注水壓力。
第五步，在將試驗系統(tǒng)中的空氣排盡后啟動循環(huán)泵，當流速穩(wěn)定趨于恒定后，開啟電加熱器，正式開始測試實驗，進行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，必須保證電源的穩(wěn)定，使數(shù)據(jù)能夠連續(xù)不間斷采集。采集數(shù)據(jù)包括：孔徑、孔深、大地初始溫度、連續(xù)測試時間的地下溫度等。
第六步，數(shù)據(jù)采集時間： 分別于08-3-3下午16時 至08-3-4下午15時，共計23小時的時間連續(xù)對試驗孔進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，在測試過程中每隔1.5分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集。開啟電加熱前后分別記錄地下環(huán)路中水與土壤換熱的數(shù)據(jù)情況。
如下圖所示，為地下?lián)Q熱器內進出水溫度隨加熱時間變化全過程曲線： 曲線ZUI后慢慢趨于穩(wěn)定，可作為分析計算依據(jù)。

土壤原始溫度
在測試初始階段，首先對地下土壤的原始溫度進行測試，為以后進行地下?lián)Q熱器的設計提供參數(shù)。開啟水泵循環(huán)直到測試流體的進出水溫度趨于恒定，這時可以認為該溫度值即為地下?lián)Q熱器埋深范圍內的巖土層的原始平均溫度。

土壤平均導熱系數(shù)計算
地埋管土壤換熱測試實驗的理論基礎是開爾文的線源理論，以下公式描述了線源理論，我公司的實驗軟件就是以此理論為基礎。

α――導溫系數(shù)      λ――導熱系數(shù)
H――管子長度      β――積分常量
t――實驗開始時間     q――熱量
ΔΤ――溫差      rb――鉆孔半徑
cv――定容比熱

單孔換熱量計算
換熱孔的換熱量是與換熱管內的流體特性、換熱管的材料特性、周圍土壤的土質、土壤的賦水情況及如果含水水是否流動、回填料的特性及土壤的原始溫度和換熱管內流體的溫度等諸多因數(shù)有關，這些因素都直接影響著整個土壤換熱器的換熱能力，由于地下的土壤結構及分布比較復雜，只有通過測試試驗孔井一概能力――綜合傳熱系數(shù)來衡量整個換熱孔的換熱性能。
對于夏季工況：
豎直地埋管換熱器鉆孔長度計算宜負荷下列公式：

對于冬季工況：
豎直地埋管換熱器鉆孔長度計算宜負荷下列公式：

測試結論
通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析進行土壤綜合導熱系數(shù)分析，測試參數(shù)匯總，得出現(xiàn)場地質是否適合做地源熱泵系統(tǒng)的結論。