第一章 绪论
1.1 课题背景与选题意义
人类社会生存和发展离不开能源。当前全球年能耗约为 14X1010MWh/每年，每消耗 1 立方米石油就有约 2.94吨 CO2被排放到大气中，而 CO2被认为是造成全球气候变暖的主要原因。这意味着每年仅由石油能耗产生的 CO2排放量就高达 1.47X1010吨。建筑物的供暖空调能耗约占全球总能耗的 30~50%，即约 5.6X1010MWh/每年；以 1GJ 能量产生的 CO2为 70kg 计算，则建筑物供暖空调能耗排放的 CO2量为 1.41X1010吨/每年。因此需要提出可持续发展策略来解决这些可预见的环境问题。在这个问题上，能源的高效利用与扩大可再生能量利用已成为解决环境问题最有效的方法。可再生能源利用存在的主要问题是其供应的能源不稳定。当供热需求很少时，可提供的太阳能反而很充足。与季节性气候变化相比，常年温度较稳定的地下岩土可作为冬季供暖的热源和夏季制冷的冷源。由于浅层地热能是通过大地表面吸收的太阳能，因此地源热泵从地下吸收的热量为可再生能源。近年，随着全球能源危机和环境问题的日益加剧，“煤荒”、“油荒”、“电荒”等资源紧缺的问题在各地频频出现，有限的常规能源和较低的一次能源利用率已经很难满足国民经济的快速增长以及人们日益增长的物质文化需求，对可再生能源的开发利用迫在眉睫。
根据英国石油公司（BP）在《Statistical Review of World Energy 2012》中公布的数据：2011 年中国一次能源消耗总量为 2613.2 百万吨油当量，原煤消耗量 1839.4 百万吨油当量[3]，原煤消耗量占全国一次能源消耗总量的 70.39%[2]。在这一过程中，各国一直都在开发利用新能源，尤其可再生能源，如风能、太阳能及地热等，使对传统能源的依赖和对环境的污染逐渐减小。
在我国，党中央、国务院高度重视节能减排，将它作为我国贯彻落实科学发展观、实现可持续发展的重要内容。党的十七大报告明确提出，要“加强应对气候变化能力建设，为保护全球气候做出新贡献”。胡锦涛总书记在主持中共中央政治局集体学习时强调：必须以对中华民族和全人类长远发展高度负责的精神，充分认识应对气候变化的重要性和紧迫性。2009 年 6 月，温家宝总理主持召开国家应对气候变化领导小组会议，提出：要研究应对气候变化和降低二氧化碳排放强度纳入国民经济和社会发展规划的问题。根据党中央、国务院的决策部署，我国坚定不移地走可持续发展道路，节能减排就是应对的重要措施之一。
1.2 浅层地热能开发利用及岩土热物性室内外试验研究现状
1.2.1 国内外浅层地热能开发利用现状
一、国外发展与研究现状
地埋管地源热泵在国外的研究发展大致可以分为三个大的阶段：
第一阶段：1912 年，由于地埋管地源热泵的金属埋管耗量大、初投资高、计算复杂、金属管的腐蚀等问题以及当时廉价的能源资源，这一阶段的研究利用高潮持续到 20 世纪50 年代中期便基本停止了。
第二章 哈尔滨地区岩土现场热响应测试
为了解研究区浅层岩土体的热学物理性质，选取了东北中部地区两个主要城市的场地进行岩土体初始温度测试和现场热响应试验测试。经过现场测试和室内数据处理分析，研究该地区浅层岩土体的初始温度随深度变化情况和热物性。
第三章 岩土热物性室内测试................38
3.1试验原理................38
3.2岩土样品热物性指标试件制备及测试................41
3.3室内热物性试验结果................42
第四章 浅层岩土体热学物理性质分析................45
4.1岩土体的热学物理性质介绍................45
4.2研究区岩土体热物性的分析研究................46
4.3哈尔滨地区和长春地区浅层岩土热物性测试的相关研究................54
4.4小结................55
第五章 基于层次分析法的浅层岩土室内外热物性测试的相关性研究................56
5.1基本原理................57
5.2传热数学模型建立................58
5.3实验验证................59
5.4小结................68
结论
本通过课题实验分析与研究，得到了如下结论：
1）研究区浅层岩土体比热容参数室内测试结果范围大致在 0.7～1.5KJ/（Kg*K），导热系数室内测试结果范围大致在 1.0～1.7W/（m*K）。除个别点外，钻孔深度范围内岩土体的比热容和导热系数随深度变化不大，二者变化趋势变化基本呈相反关系。研究区中粗砂和砾砂层层厚较大，岩土体释热性能好，浅层地热能开发利用的效果较好。室内试验数据结果基本略小于现场测试结果，这是由众多原因造成的。现场热响应试验是模拟地源热泵的实际工况，更接近实际工程情况，其所得试验测试结果更加符合实际工程要求。
2）研究区域冻土埋深在 2m 左右，变温带埋深 0‐35m，变幅较大的为 0‐20m，温度我‐5‐12℃。恒温带埋深 35‐50m，平均温度为 7.5℃；50m 以下为增温带，埋深 50m‐100m，深度地温由 7.5℃增至 9.5℃，到 200m 埋深增至 12.5℃。地温梯度为 3.3℃。地温梯度 3.3℃/100m。
3）在哈尔滨地区浅层岩土体综合导热系数基本呈现出“中部小、南北大、东西基本对称”的情况，其他地区的浅层岩土体综合导热系数基本都在 1.7?W/（m*K）左右。其中在香坊区黑龙江省水文地质工程地质勘察院院内（孔号 M08）浅层岩土体综合导热系数最低，为 1.49?W/（m*K），在松花江南北两岸以及东南局部地区浅层岩土体综合导热系数偏高，其他地区的浅层岩土体综合导热系数基本都在 1.7? W/（m*K）左右。并得出“浅层水流渗流作用对浅层岩土体综合导热系数的分布有很大的影响”的结论。对比分析了哈尔滨地区和长春地区浅层岩土体的热热物性，大致可以了解该区域浅层岩土体热物性的整体情况。
4）根据室内外试验测试方法之间的区别，选取不同地层的厚度、土的含水率、密度及渗透系数作为影响二者热物性参数差异的主要因素，而后使用层次分析法确定各影响因素的权值，并按权值大小修正实验室测出的热物性参数。最后，利用数值程序模拟修正后的室内热物性参数和室外热物性参数，验证了二者在热量传导能力方面基本相同，说明了本文提出方法的正确性，为地源热泵设计提供了一种新思路。
参考文献：
[1] 国务院新闻办公室. 中国的能源状况与政策.2007.12
[2] 刁乃仁，方肇洪. 地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社，2006[3] 庞名立. 2011年世界各国一次能源消费结构. 中国天然气工业网，2011-06-28
[4] 韩再生等. 浅层地热能勘查评价[J].中国地质，2007，34(6):1115-1121
[5] 王秉忱，谭明. 我国城市浅层地热能开发利用现状与趋势.中国地源热泵网，2012-01-16
[6] 韩再生，浅层地热能的属性和利用[J]，地温资源与地源热泵技术应用论文集（第二集）地质出版社：27~31
[7] Roland Wagner and Christoph Clauser, Evaluating thermal response tests usingparameter estimation for thermal conductivity and thermal capacity [J], J.Geophys. Eng. 2 (2005) 349–356.
[8] 吴刚，岩土材料导热系数及水源热泵室内模拟试验研究[M]，2009,吉林大学
[9] Kavanaugh S P.Simulation and experimental verification of verticalground-coupled heat pump systems[D].Oklahoma State University,1985
[10] W.A.Austin.Development of aninsitu system for measuring groundthermalproperties. Oklahoma State University,1995