[发明专利]一种岩土体综合导热系数和比热容的测试系统及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试系统，具体的说，是一种岩土体的热物性参数的测试系统，同时本发明公开了该测试系统的测试方法。

背景技术

岩土体的热物性参数是土壤源地源热泵系统和能源地下工程热交换器设计计算和地下工程温度场计算所需的基本参数，该参数的选取直接影响计算的可靠性和精确度。通过现场埋设温度传感器监测岩土热响应试验下的土体温度场随时间的变化曲线，依据复合介质线热源理论，反演任意深度下的岩土体导热系数和比热容。反演所得的热物性参数可综合反应岩土体的物质组成、结构、地下水和应力历史等多方面因素影响。

现有的岩土体热物性测试方法包括室内试验和现场测试。室内试验试样制备破坏了岩土体的原有结构和状态，所得的热物性参数无法如实反映岩土体的传热特性。利用热探针法可以测量地表以下一定深度处的岩土体热物性参数，但由于热探针的长度有限，其测试深度受到限制，无法测量深埋土层的热物性参数。基于垂直地埋管地源热泵换热器的岩土热响应试验可以获得岩土体的综合热物性参数，但该参数是垂直钻孔所穿越的全部土层的传热特性的综合体现，无法反映某一层土或任意深度处岩土体的传热特性，该方法无法获得任意深度处岩土体的热物性参数。现有的基于岩土体热响应试验的岩土体热物性参数反演理论基础为半无限大体线热源理论，该理论无法考虑垂直钻孔内的回填材料，将其视为与钻孔周围岩土体相同的传热介质。导致测试结果与实际情况存在较大的偏差。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种结果准确、低成本、易于操作的测试系统，同时本发明公开了该测试系统的测试方法。

技术方案：本发明通过如下技术手段加以实现：

一种岩土体综合导热系数和比热容的测试系统，其特征在于：包括加热装置与量测装置，所述加热装置包括保温水箱、电加热棒、水泵、保温进水管、保温回水管、热交换管、平衡阀，所述量测装置包括岩土体温度传感器、流体温度传感器和流量计。在保温水箱内设置电加热棒，水泵设置在进水管上，在回水管上设置流量计和平衡阀，热交换管的两端分别连接进水管与回水管。

所述岩土体温度传感器设置在测温孔和测试孔内，所述流体温度传感器设置在热交换管上。所述热交换管设置在测试孔内。

一种岩土体综合导热系数和比热容的测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1）设置测试孔、测温孔；

2）在热交换管上分别安装流体温度传感器和岩土体温度传感器，在将热交换管设置在测试孔内，在测温孔内安装岩土体温度传感器；

3）运行加热装置，并监测热交换管内流体与岩土体温度，并绘制岩土体温度随时间变化的热响应曲线；

4）利用温度响应计算公式和岩土体热响应曲线反演岩土体的综合导热系数和比热容；

所述测试孔与测温孔任意一点的温度响应计算公式为：

其中：

q_l(t)=ρ_lc_lvΔT(t)                            (2a)

ψ′=k₁[akJ_n(r_bu)Y′_n(ar_bu)-J′_n(r_bu)Y_n(ar_bu)](2c)

f′=k₁[akY_n(r_bu)J′_n(ar_bu)-Y′_n(r_bu)J_n(ar_bu)] (2d)

g′=k₁[akY_n(r_bu)Y′_n(ar_bu)-Y′_n(r_bu)Y_n(ar_bu)] (2e)

α₁＝k₁/ρ₁c₁                                 (2f)