不同测试条件下岩土体热导率对比分析研究

贾子龙　郑佳　李娟　刘爱华　李富

摘 要：岩土热导率是浅层地热能开发利用评价的重要参数，依据实际工程案例中的测试孔开展了实验室测试和现场热响应测试，对取得的岩土体热导率进行了对比分析。结果显示，在第四系松散沉积物中，岩土热导率与天然含水率、孔隙比呈负相关；岩土平均热导率在大功率（9 kW）条件下比小功率（6 kW）大；同一测试孔，实验室与现场热响应测试取得的岩土体热导值存在差异，实际工程应根据不同参数需求和应用场景，选择合适的测试方法。

关键词：热导率；地源热泵系统；实验室测试；现场热响应测试

Thermal conductivity of rock and soil under different test conditions

JIA Zilong1，2， ZHENG Jia1，2， LI Juan1，2， LIU Aihua1，2， LI Fu1，2

（1.Geothermal Research Institute of Beijing， Beijing 102218， China；

2.Key Laboratory of Shallow Geothermal Energy， Ministry of Natural Resources， Beijing 102218， China）

Abstract： Geotechnical thermal conductivity is an important parameter in the evaluation of the exploitation and utilization of shallow geothermal energy. We conducted both laboratory and field thermal response tests on test holes in actual engineering cases and analyzed the thermal conductivity obtained. The results show that the thermal conductivity is negatively correlated with the natural water content and the porosity ratio in the Quaternary loose sediments. The average thermal conductivity of rock and soil is higher at high power （9kW） than at low power （6kW）. For the same test hole， the thermal conductivity of rock and soil bodies obtained differs for laboratory test and field thermal response test. Therefore in actual projects， appropriate testing method should be selected according to different parameter requirements and application scenarios.

Keywords： thermal conductivity; ground source heat pump system; laboratory testing; field thermal response test

地源熱泵系统施工前期需要对换热孔区域进行地质调查，主要内容包括实施勘察孔并进行相关测试工作，取得地层相关资料，获取相关岩土体热物性参数。其中，岩土体热导率是地源热泵系统设计的一个重要参数，如果该值不准确，则设计的系统可能无法满足建筑负荷要求，并且影响系统初投资及运行效果（卫万顺等，2010；栾英波等，2014；李强，2010）。目前，岩土体热导率的测试方法主要有实验室测试法和现场热响应测试法。实验室测试方法是通过对岩土体进行抽取样本，在实验室进行相关的实验分析，再通过数据计算得到热导率。现场热响应测试是通过对岩土体开展换热试验，获取相关参数，并基于线热源模型或柱面热源模型，计算岩土体热导率（吴迪等，2017）。对于这两种测试方法，国内外开展了多项相关研究工作（沈亮等，2016），有对实验室岩土体热导率影响因素开展的研究工作（赵秀峰等，2016），有对现场热响应测试影响因素及传热模型的相关研究（王沣浩等，2012；徐晓宇，2014）。这些研究都是针对实验室和现场热响应测试方法，从计算原理和数值模拟方面，分别开展的研究，对2种方法同时开展实际测试的研究较少。本文结合北京通州区某勘查项目，选择3眼换热测试孔开展现场热响应测试，针对测试孔选取一定数量的样品进行室内实验室测试，通过2种测试方法分别取得了测试孔岩土体热导率，并对2种测试条件下岩土热导率的影响因素进行了相关性分析，研究成果对岩土体热导率的测试工作有指导意义。

1  换热测试孔布设

本次3眼换热测试孔布设区域位于北京市通州区（图1），地处永定河、潮白河及温榆河冲洪积平原，具有典型的多层岩土体结构，组成物质主要为黏性土层和砂层互层。钻孔过程中对3眼换热测试孔进行了全孔取芯，并开展了现场电阻率测井，取得了比较准确的地层数据（图2）。换热测试孔岩性主要分为黏土类（主要为黏土、粉质黏土、重粉质黏土等）和砂土类（主要为砂质粉土、中砂、细砂等）。

相关研究成果显示，目前通州区主要开采利用300 m以内的第四系含水层中的地下水。根据地下水开发利用情况以及水文地质条件，将通州区地下水在垂向上概化为4个含水层组。根据含水层的埋藏深度及水文地质条件，浅层地下水包括第一含水层组（底板埋深40～50 m）和第二含水层组（底界深度80～120 m）。依据第四系浅层含水层单井出水量大小，通州区第四系浅层地下水可划分为2个富水性区域：I区分布在永乐店以南地区，含水层以砂层为主，富水性一般；II区主要分布在永乐店、觅子店以北通州区大部分地区，含水层主要为多层砂及少量砂砾石，富水性较好。

2  测试方法

2.1  实验室测试方法

从各换热测试孔全孔取芯的样品中，选取典型层位的岩土体样品（表1），在实验室开展热物性参数测试。

实验室测试方法为非稳态法中平面热源法，即在物体内部垂直于导热方向取2个相距1 m、面积1 m2的平行平面，若2个平面的温度相差1 K，则在1 s内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。本次试验热导率参数是通过瑞典Hot disk热导率测试仪（图3）进行测量的，精度为±3%，导热系数范围0.005～500 W·m-1K-1。

2.2  现场热响应测试

对钻探完成的换热测试孔，经过下管、回填、静置等一系列工作后，开展了现场热响应测试，取得相关测试参数。

1）岩土初始地温测量

采用无功循环法测试150 m以浅岩土体初始平均地温，此时加热器不开启，即加热功率为0，使土壤换热器中的循环液（水）循环，试验时间一般为不小于24 h，试验过程中记录进、出换热器的水温、流量，待试验数据稳定后停止原始温度的试验。在循环水的温度达到稳定时（地埋管出水温度连续12 h变化不大于0.5 ℃），循环水与岩土体达到热平衡，该温度即为岩土体初始平均温度。

2）稳定热流测试

原理是通过测试仪向地埋管换热器提供恒定热流，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据，对数据分析处理计算后得到岩土体的平均热导率。

现场热响应试验中，同一测试孔不同加热功率取得的结果不同，较大功率得出的热导率比较高，主要是由于地下水渗流的缘故，对于地下水有流动水的地区，适合采用不同加热功率测试，取平均值作为最终的热导率（石凯波等，2017；史旭东等，2016；岳丽燕等，2017）。

本次现场热响应测试中稳定热流加热功率参数设置为6 kW和9 kW，持续时间至温度变化小于1℃时，循环流量大于0.8 m3·h-1。

2.3  岩土体其他参数测试

以往研究表明，岩土体热导率受岩土体物理参数影响（王涛，2014；佟红兵，2014；郑强等，2015；皇甫红旺等，2016），为了研究岩土体其他特性跟岩土体热导率的关系，本次对岩土体样品开展了土工试验测试，取得了样品的含水率、饱和度和孔隙比参数。其中含水率测试采用的是室内烘干法，本次试验进行了2次平行测定，取算术平均值。

3  结果与分析

3.1  实验室测试结果

岩土体热导率与其基本物理性质密切相关，本次对实验室热物性参数测试和土工试验测试结果进行了分析研究，得到了热导率与含水率、饱和度和孔隙比直接的关联性。由于钻探工艺的原因，砂类岩土体样品无法获取原状样品，因此本次数据分析只针对黏土类样品。

从图4可以看出，本次试验取得的样品饱和度基本都在80%以上，表明此次样品空隙中充满了水。在实验室环境下空隙越大、含水量越多，图4中（b）和（c）也表明了岩土体热导率随含水率和孔隙比的增加而降低。

根据实验室测试结果，参照土工实验室数据处理中的相关方法，计算出实验室测试条件下测试孔的平均热导率分别为1#孔1.543 W·m-1·K-1，2#孔1.646 W·m-1·K-1，3#孔1.308 W·m-1·K-1（表2）。

3.2  现场热响应测试结果

通过现场热响应测试数据分析，获取换热测试孔的平均导热系数（表2）。本次试验结果显示，6 kW工况下取得的地层平均热导率均低于9 kW工况下的值。

3.3  对比分析

从表2可以看出，实验法取得的值与现场热响应测试取得的值存在一定的差异，反映出2种测试方法由于岩土体环境、测试方法、理论计算方法的不同，测试结果还是存在很大差异。

试验结果表明，实验室测试中岩土体热导率受样品本身的影响比较大，特别是样品空隙大小以及空隙中的水或空气。本次研究换热孔位于地下水较丰富地区（图 2），现场热响应测试中岩土体热导率受地下水的影响比较大，在地下水径流的影响条件下热导率普遍高于实验室静态测试值。

4  结论

1）实验室测试岩土体热导率受岩土体本身影响较大，黏土类热导率随含水率的增大而降低，随孔隙比的增加而降低。

2）現场热响应测试热导率受测试参数及地质条件影响较大，在地下水富水性好、流速较快的地区，加热功率越大，取得的热导率就越大。实际工程应用中，因进行多组不同参数的测试，取其平均值。

3）实验室测试取得的岩土体热导率与现场热响应测试取得的结果存在一定的差异。实际工程中，应该开展多种方法测试，更好地指导工程实践。

参考文献

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郑强，晋华，刘虎，张春一，2015.孔隙率与含水率对砂质土样导热系数的影响［J］.水电能源科学，33（12）：125-128.

收稿日期：2022-10-09；修回日期：2023-01-03

基金项目：通州区南部（751 km2）重大地质问题调查与评价项目浅层地温能资源调查与评价专题资助

第一作者简介：贾子龙（1988- ），男，硕士，高级工程师，主要从事浅层地热能开发利用及监测研究工作。E-mail：jiazl30@126.com

引用格式：贾子龙，郑佳，李娟，刘爱华，李富，2023.不同测试条件下岩土体热导率对比分析研究［J］.城市地质，18（1）：49-54