现场岩土热物性参数的影响因素分析

石凯波，王景刚，鲍玲玲，侯松宝，曹 辉

现场岩土热物性参数的影响因素分析

石凯波，王景刚，鲍玲玲，侯松宝，曹 辉

（河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038）

对邢台市一试验井分别进行3d和2d的热响应试验，研究加热功率、测试时长、土壤初始温度对岩土热物性参数的影响。结果表明，同一测试孔在不同的加热功率下的岩土热物性参数存在差异；测试时长为48～64 h时测得的岩土热物性参数比较稳定；土壤初始温度越高，岩土热扩散系数越小。

热响应试验；加热功率；测试时长；土壤初始温度

1 单孔热响应试验

试验地点位于邢台南宫市。试验孔参数见表1。

1.1 地层结构

岩土的热物性参数与地层的密度、含水率、孔隙比、地下水渗流[6-7]等因素有关。根据邢台地矿局提供的资料，该地区地面以下150 m深度的土样主要以粘土、粉粘、粉土为主。含水率在14.2%～36.9%范围内，密度在1.84～2.15 g/cm3范围内，孔隙比在0.488～1.039范围内。

1.2 测试装置与流程

测量装置主要部件由功率可调的电加热器、循环水泵、加热水箱、温度测量装置、流量测量装置、信号变送装置、数据采集与处理装置等构成（图1）。测量装置中的管路与埋管换热器地下回路相接，循环水泵驱动流体在回路中循环流动，流体经过加热器加热后流经地下回路与地下岩土进行换热。

表1 试验孔的相关情况Tab.1 Relevant information of the test boreholes

图1 试验测试装置示意图Fig.1 The testing device diagram

测量装置中的管路与埋管换热器，在地埋管内注满循环水，保持电加热器处于关闭状态，开启循环水泵，使地埋管的进出口水温达到稳定。此时，地埋管的进出口水温的平均值即为大地初始温度。启动相应功率的电加热器并保持功率恒定，持续加热直到地埋管进出口温度基本稳定，并稳定一段时间。测试结束后先关闭电加热器，再关闭循环水泵。

1.3 数据处理方法

共直流母线分布式系统具有稳定性更高,容量更大,为分布式发电提供了很好的模式,有很好的发展前景。因此其控制方法[2-3]、能量管理策略[4-5]等正成为研究热点。

根据文献[8-9]介绍的方法，采用线热源模型处理试验数据。U型管内流体平均温度与测试时间变化关系式可表示为

流体与U型管壁的对流换热热阻：

U型管的导热热阻：

U型管外壁与钻孔壁之间的导热热阻：

流体与型管壁间的对流换热系数为：

式中：Tf—地埋管进出口平均水温，℃；Q—加热功率，W；λ—土壤的导热系数，W/(m·℃)；H—钻孔深度，m； α—土壤的热扩散率，(m2/s)；rb为钻孔的半径，m；γ为欧拉常数，取0.577 2；Rb—U型管内流体与钻孔壁间的总传热热阻，(K・m)/W；λp、λb分别为U型管和回填料的导热系数，W/(m・K)；λl流体的导热系数，W/(m・K)；T0—土壤初始温度，℃；di、d0分别为型管的内、外径，m；n是钻孔内型管的管数，对于单U型管n=2，对于双U型管n=4。

其中：

由式（8）可得岩土导热系数和容积比热容的计算式：

2 试验结果分析

2.1 土壤初始温度测试

考虑到钻孔以及回填等过程对土壤初始温度的扰动作用，本次试验中在土壤初始温度完全恢复后才开始进行相关试验工作。下管并回填完毕后，让埋管内的水静止48 h后，开启循环水泵，待地埋管进出口温度逐渐趋于稳定，并记录地埋管的进、出口温度，取其两者平均后的温度为地层原始温度。本次试验测得的土壤初始温度为17.2℃，如图2。

图2 孔1#土壤初始温度变化曲线Fig.2 Soil initial temperature of well 1#

2.2 加热功率对岩土热物性参数的影响

分别以表1的加热功率对邢台地区的测试孔进行热响应试验，由于测式初期不稳定，舍弃前6个小时测得的数据，利用加热6 h后的测试数据对两个恒定功率进出口水平均温度与时间进行对数拟合，图3为流体平均温度在这两个工况下与时间的对数关系曲线。现场热响应试验热物性参数结果见表2。

现场热响应试验结果对比显示，较大功率计算出的岩土热物性参数越大。这与Witte[10]在建立地下水渗流条件下进行热响应测试，得出在地下无渗流水时，不同功率有地下水渗流条件时，随着加热功率的增大，得出的岩土热物性参数也逐渐增大。根据邢台地矿局提供的资料，该地区含水率在14.2%～36.9%范围内，地下水流速一般为1.0～1.3 cm/d。对比分析可得出在有地下水渗流地区宜采用不同的功率进行测试，取不同功率测试出的参数平均值作为该地区的岩土热物性参数结果，以减小地下水渗流带来的影响。

2.3 不同功率测试时长对岩土热物性参数的影响

以8 h为间隔选择不同的测量时间对现场热响应试验得出的试验结果进行数值拟合，根据公式（9）计算出导热系数和热扩散系数，其结果如图4所示。当加热功率为3 kW时，在开始的48 h内，导热系数和热扩散系数呈现递减的趋势，且递减趋势明显，在48 h之后岩土热物性参数逐渐趋于稳定。当加热功率为4.5 kW时，在开始的32 h内，岩土热物性参数递减趋势明显，之后，岩土热物性参数趋于稳定。由此可见，加热功率越大，使现场热响应试验达到稳定时间越短。因此建议现场热响应试验的测试时间控制在48～64 h范围为宜。

表2 孔1#的现场热响应试验结果Tab.2 In-situ thermal response of well 1#

图3 孔1#流体平均温度与时间的对数关系曲线Fig.3 Curves of fuild average temperature to logarithmic time of well 1#

图4 孔1#加热时长对热物性参数的影响Fig.4 Influence of heating length on thermophysical parameters of well 1#

图5 孔1#热扩散系数随土壤初始温度变化Fig.5 Influence of initial temperature to thermal diffusion coefficient of well 1#

2.4 土壤初始温度对岩土热物性参数的影响

本文采用线热源模型处理试验数据，由式（9）可知，导热系数与土壤初始温度取值无关。当土壤初始温度测量出现误差时，导热系数数值不变，热扩散系数会发生相应的改变。对孔1#进行误差分析，其土壤初始温度为17.2℃，3 kW计算出的导热系数为1.94 W/(m·K)，4.5 kW计算出的导热系数为2.5 W/(m·K)，其他参数不变，分别令土壤初始温度为16.8℃、17℃、17.2℃、17.4℃、17.6℃。运用公式（9）计算出两个功率下热扩散系数与土壤初始温度关系曲线如图5。

由图5可以看出，热扩散系数随着土壤初始温度的升高而减小。通过公式（9）计算可以看出土壤初始温度发生0.2℃偏差时，则会对热扩散系数产生20%的影响。因此，利用线热源模型计算岩土热扩散系数时，需要准确测量土壤初始温度。

3 结论

1）在现场热响应试验中，同一测试孔在不同加热功率数据结果对比中，较大功率得出的岩土热物性参数值较高，这主要是由于地下水渗流的缘故，对于地下有流动水的地区，适合采用不同加热功率测试，取其平均值作为最终的岩土热物性参数。

2）热扩散系数随着土壤初始温度测量值的升高而减小，且计算出土壤初始温度每偏差0.2℃，热扩散系数会发生20%偏差。

3）现场热响应试验测试起始阶段，岩土热物性参数随测试时间的增长呈现减少的趋势，较大加热功率减小的更为明显。且加热功率越大，岩土热物性参数达到稳定的时间越短。

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（责任编辑 王利君）

Analysis of infiuence factors for in-situ thermophysical parameters of rock and soil

SHI Kaibo，WANG Jinggang，BAO Lingling，HOU Songbao，CAO Hui
(College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Hebei Handan, 056038, China)

Based on the thermal response tests of 3-day and 2-day in a test well in Xingtai, the effects of heating power, testing time and initial soil temperature on the thermophysical parameters of rock and soil were studied. The results show that under the same test area, different heating powers have different results. The measured thermophysical parameters of rock and soil are relatively stable when test time vary from 48 to 64 hours. The higher the initial soil temperature is, the smaller thermal diffusion coefficient of rock and soil is.

thermal respond test；heating power；testing time；initial soil temperature

TU831

A

1673-9469（2017）02-0066-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.013

2016-12-30 特约专稿

河北省自然科学基金资助项目（E2015402139）；河北省教育厅科学技术处资助项目（QN2014064）

石凯波（1990-），男，河北邯郸人，硕士，从事地源热泵理论技术方面的研究。