第 1 章 绪论
1.1 论文研究的背景和意义
1974 年世界石油危机发生后不久，为了应对从欧佩克国家限量进口石油的强烈依赖，世界经济合作和发展组织的一些成员国同意在保护能源和发展可再生能源的研究方面展开紧密的合作。1978 年，这些国家达成了通过能源存储的方式来保护能源的协议。10 年后，随着充裕的可利用矿物燃料的出现，能源紧张形势得以缓解，在节能和可再生能源方面的研究和应用受到很大限制，发展缓慢。但随后产生的全球变暖和温室效应的出现，发展可再生能源的问题又得到各国政府的充分重视，利用地源热泵进行供暖、制冷和地下储能的研究在西方国家开始盛行。地源热泵技术是一种开发利用中低温地热资源的有效方法，它具有低耗高效，绿色环保，及可再生利用地热资源的特点。土壤的恒温层在无干扰时常年保持稳定的温度，这一温度远高于冬季室外温度，低于夏季室外温度。这样，利用地源热泵系统在冬季将地下的热量提取出来用于建筑的供暖和供热水，同时将系统排放的冷量存入地下以供夏季使用；在夏季将地下的冷量提取出来用于建筑的制冷，同时将系统产生的热量蓄存到地下以供冬用。地源热泵技术在欧、美和日本等发达国家早已广泛推广，近些年来在国内也成为空调行业研究的热点。但是，要对地源热泵系统地下热交换器或对地下储能进行设计，了解岩土的热性能参数是十分重要的。如果该参数不准确，则设计的系统可能规模太小，不能满足空调负荷的需要；也可能设计的系统规模太大，造成初投资增加，影响地源热泵技术的推广。因而，要确定埋地换热器的传热性能，必须了解有关土壤的热物理性质参数，主要是土壤的导热系数、土壤的热扩散率等，而只有对这些参数进行有效的测试才能准确地确定地下换热器的埋深和数量。
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1.2 地层热物性测试方法的国内外现状
1.2.1 查表法
查表法一般也称为经验估计法。它是指在施工现场钻孔取样，通过采集的样品确定岩土类型，然后从岩土热物性参数表中查取对应的导热系数。但是，不同地点的土壤或岩石的类型和含水量等可能不同；或者说，即使在同一位置，在整个井深范围内，岩土类型和含水量也可能有明显变化。因此，在地源热泵设计中按照一个或几个钻孔的样品来选择热性能参数必然难度很大。另一方面，对于同种类型岩土，有时其参数取值范围也比较大，如，中生代的砂岩，其导热系数为2.3-4.5 W/m K，比热为 2000- 950 J/kg K；淤泥质土，其导热系数为 1.1-1.5 W/m K，体积比热为 3.0- 3.6MJ/m3 K［2］。由此可见，参数选择不当，就可能带来地下埋管换热器设计的误差，如果选择的导热系数值过小，则设计的钻孔数量偏多，深度偏大，大大增加了投资成本；若选择的导热系数值过大，设计深度偏小，则不能保证系统的正常使用要求。因此，这种方法只能用于小型的地源热泵系统的设计，如小型的别墅或其他面积较小的单体建筑。
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第 2 章 浅层岩土体热物性原位测试仪的系统设计
2.1 岩土体热物理性质原位测试原理
岩土热物理性质原位测试仪的工作原理是：在将要埋设地下换热器的现场钻孔打井，测试用井深与实际工程设计井深一致，在钻孔中埋设 HDPE 地下热交换器并按设计要求回填。测试时，地下埋管换热器和测试仪的循环管道相连形成封闭管路，然后启动测试仪配备的热泵机组，根据实际工程需求，选择制冷或供暖模式连续运行数十小时（一般要求 48 小时以上），利用温度、流量等传感器测量
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2.2 测试仪的整体结构设计
为方便在不同地点进行岩土热物性参数的测试，设计将各种设备和管道都安装在一个可移动的拖车中，车厢的外观尺寸为 3.4m×1.7m×1.8m（长×宽×高），车体采用角钢和槽钢做承重骨架，内镶 40mm 厚苯板（导热系数为 0.042W/m.K），外包 0.7mm 厚彩钢板。原位测试仪的总体结构主要包括液路循环系统、数据采集和控制系统以及电气控制系统等三大部分。其中，数据采集和控制系统集中放置在工控柜中，电气控制系统放置在电气柜中。每一部分的具体情况都会在以后的内容中逐一加以介绍。
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第 3 章 浅层岩土体热物性原位测试仪的数据处理系统................. 35
3.1 线源模型............................... 35
3.2 柱源模型.......................... 38
3.3 变热流传热模型......................... 39
3.4 数值计算模型........................... 43
3.5 参数估计法求解岩土热物性参数................... 44
3.6 本章小结................................. 45
第 4 章 浅层岩土体热物性原位测试仪的加工装配和调试............. 47
4.1 室内试验台的搭建......................... 47
4.2 室内调试实验............................ 48
4.3 测试仪安装和调试.......................... 51
4.4 测试仪内部管道和设备的保温处理................... 53
4.5 本章小结................................ 54
第 6 章 U型埋管换热器与岩土传热的数值模拟
6.1 有限单元法在传热学中的应用原理
6.1.1 单元分析与合成
对于任意有边界的平面区域，在有限元法中都可以划分为任意形状的四边形单元[120]。每个节点都有对应的数字序号， 每个单元也有不同的编号，各相邻单元通过公共顶点相互关联。划分网格时，四边形单元的形状是根据物体的几何形状而定的，可能是标准矩形，也可能是不规则的四边形。对于任意位置与形状的四边形单元的积分是非常困难的，因此利用坐标变换，把不规则单元图形转化成矩形单元。这个坐标变换不是对整个求解区域进行的，而是对每一个单元分别进行的。因此（X，Y）为整体坐标，它适用于整个求解区域；而称（x，y）为局部坐标，它只适用于每一个单元。
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第 7 章 结论与展望
7.1 结论
土壤源热泵系统由于其节能和环保特性，近年来得到了广泛的应用。但是在其设计应用中，只有很少的一部分进行了地层热物性的测试，即导热系数的选择存在一定的盲目性和随意性。针对这一令人堪忧的问题，本文研制了一种浅层岩土体热物理性质原位测试仪，可现场测试岩土热物性参数。通过理论和实验两方面结合开展研究工作，得到以下几个方面的结论：
（1）研制的岩土体热物理性质原位测试仪采用热泵作为冷、热源，可进行储热和取热两种工况的测试，结构简单合理。采用电动三通分流调节阀结合冷凝器辅助热泵工作，可以保证输入地下或从地下提取的热量恒定，便于应用恒热流传热模型进行数据分析计算。功能多样的人机交互界面和控制系统可以实现设备的多种控制和报警功能，能够现场实时监控实验曲线的变化及进行数据处理，便于对实验方案进行决策和调整。
（2）利用测试仪进行了多次现场热物性测试，取得了大量实验数据，利用线源模型、柱源模型和数值模型对储热工况的测试数据进行了计算，得出在测试时间和钻孔深度足够的条件下，线源模型就可以满足计算精度的结论。利用变热流模型对取热工况的实验数据进行处理，通过对计算结果的分析可知，对于热流变化较大的测试实验，采用变热流模型计算其拟合的精度更高。
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参考文献（略）