引言“双碳”背景下，地源热泵近几年迎来空前的发展机遇[1-2]，供能建筑面积达到13.92亿m2[3-4]，仅2020年增加了1.73亿m2[5]。随着地源热泵技术的快速发展，很多地源热泵项目采用估算法进行工程设计，导致设计值偏大或偏小，造成资源浪费或供能效果差。Kavanaugh[6]研究发现，如果岩土体导热系数或比热容参数发生10%偏差，地埋管总长度偏差达到4.5%~5.8%。因此，准确测量岩土体的热物性参数对浅层地源热泵勘察设计具有至关重要的作用。针对济宁任城区地热地质条件，通过现场热响应测试和专用软件分析，得到项目区岩土体热物性参数，为后期地源热泵系统的合理设计提供参考。1工程概况项目位于山东省济宁市任城区，项目拟安置总户数2 446套，总规划建筑面积约为33.92万m2。其中，住宅建筑面积30.39万m2，商业建筑面积为0.57万m2，村委办公室建筑面积0.41万m2，集体土地集体安置资产面积2.542 8万m2。2地层条件项目区地层主要为第四系(Q)，包括更新统和全新统，厚度251.50~261.80 m，平均256.78 m，主要由黏土、砂质黏土、黏土质砂、砂及砂砾层组成，属河、湖相沉积，按岩性及结构可分为上、中、下三组五段。上组：厚90.50~115.00 m，平均103.19 m，分上、下两段。上组上段：厚46.40~62.00 m，平均56.61 m，主要为暗黄色砂质黏土及黏土质砂，夹薄层中、粗石英砂2~6层，砂层厚度占本段的25.2%。上组下段：厚38.60~65.20 m，平均46.59 m，主要为锈黄色中、粗粒石英砂层，夹暗黄色及灰绿色砂质黏土2~5层，砂层厚度占本段的43.5%。中组：厚57.60~96.30 m，平均80.64 m，以灰绿色黏土及具黄、灰绿色斑状的砂质黏土为主，局部为含黏土质砂砾层，砂质黏土层偶含砂姜及铁、锰质结核。下组：厚58.50~84.30 m，平均厚72.95 m，分上、下两段。下组上段：厚27.80~53.10 m，平均39.86 m。较稳定，主要为灰白色含黏土长石、石英砂砾层，夹灰绿、灰白、橘黄等色黏土。黏土质砂砾层厚度占本段的51.4%。下组下段：厚26.00~40.05 m，平均33.09 m。主要为灰绿、紫红、橘黄、灰白等杂色黏土层，偶夹固结较好的黏土质砂砾层，底部普遍有含石膏黏土层，底界多为黏土和卵石混合层或黏土砂砾层。3测试方案项目区不同位置布置2个工程测试孔，测试孔平面布置位置如图1所示。两个测试孔的孔深均为200 m，孔内换热器均为垂直双U形管，管径参数为De32HDPE双U，回填材料为原浆+细砂，流量为1.6 m3/h，加热功率为8.2 kW，测试时间为60 h。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.F001图1测试孔平面布置位置4测试步骤（1）测试孔钻孔成孔、下放垂直地埋管前后检测压力、采用原浆回填；（2）测试孔温度场恢复3 d，确保测试场地平整，确定临时水电接驳点；（3）测试孔管道与热响应测试仪进行连接；（4）外部设备全部连接完成后，对测试仪器及外部设备的连接进行检查；（5）利用水泵进行管内水循环，获得岩土体的初始温度；（6）采用恒功率法进行试验，试验期间应保持加热功率恒定；（7）启动测试设备，地埋管换热器的出口温度稳定后开始读取并记录试验数据，其温度宜高于岩土体初始平均温度5 ℃以上，且试验持续时间不应低于48 h；（8）地埋管换热器内流速不应低于0.2 m/s；（9）提取试验数据，分析计算得出岩土综合热物性参数。5数据分析方法热物性参数作为岩土体的热物理性质，是地源热泵系统设计的关键。岩土体取热或放热试验对数据处理的方法基本相同，利用反算法推导岩土体的综合热物性参数。将试验测试获得的结果与软件模拟计算结果进行对比分析，调整传热模型、方差和取最小值时的热物性参数为所求结果。f=∑i=1NT1,i-T2,i2 (1)式中：T1,i——第i时刻由软件模拟计算的地埋管内流体平均温度；T2,i——第i时刻试验测得地埋管内流体平均温度；N——试验测得的数据组数。6测试数据分析6.1岩土体初始平均温度DK01和DK02测试孔采用无功循环获取岩土体初始温度，测试孔无功循环温度曲线如图2所示。DK01和DK02测试孔经过300 min无功循环后循环水温趋近稳定，初始地温分别为18.19 ℃和17.88 ℃，计算得项目区岩土体初始平均地温为18.04 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.F002图2测试孔无功循环温度曲线6.2岩土体综合热物性参数根据岩土体热响应试验过程记录的加热功率、进出水温度、流量数据及钻孔成孔条件、岩土体初始平均温度等相关参数值，计算岩土体的综合导热系数、体积比热容等热物性参数。地源热泵测试孔进回水温度随时间变化曲线如图3所示。岩土体综合热物性参数如表1所示。图3地源热泵测试孔进回水温度随时间变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.F3a1（a）DK01测试孔10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.F3a2（b）DK02测试孔10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.T001表1岩土体综合热物性参数试验测试孔地埋管有效深度/m循环水流量/(m3/h)埋管进水平均温度/℃埋管出水平均温度/℃平均加热功率/W岩土体综合导热系数/[W/(m·K)]岩土体体积比热容/[J/(m3·K)]DK012001.3326.3521.896 9581.642 602 547DK022001.7928.5324.617 9411.912 625 089由表1可知，项目区域岩土体的综合导热系数为1.78 W/(m·K)，岩土体综合比热容为2 613 818 J/(m3·K)。6.3岩土体换热量根据测得的岩土体初始平均温度及岩土体综合热物性参数，结合钻孔直径、回填材料、埋管间距、埋管类型（单U/双U）、运行份额及不同运行工况下地埋管内流体设计平均温度、测试时间等条件，计算试验测试条件下的土体换热量，并提供不同工况换热量计算值，作为后期设计时稍微参考依据。钻孔间距为4.0 m和5.0 m的土体换热量如表2、表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.T002表2钻孔间距4.0 m的土体换热量试验测试孔换热类型制热（制冷）运行份额0.20.30.40.60.81.0DK01夏季排热量54.0747.3842.1734.5629.2825.40冬季取热量40.9835.5731.4225.4821.4318.49DK02夏季排热量57.5750.9145.6337.8032.2628.13冬季取热量41.5636.3632.3226.4422.3719.39W/m10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.011.T003表3钻孔间距5.0 m的土体换热量试验测试孔换热类型制热（制冷）运行份额0.20.30.40.60.81.0DK01夏季排热量57.1450.9846.0238.5333.1429.07冬季取热量42.1136.8632.7726.8222.7019.68DK02夏季排热量60.5154.4349.4541.8136.2131.94冬季取热量43.0038.0434.1028.2524.1121.03W/m钻孔间距为4.0 m和5.0 m时，制冷工况下，两个测试孔的埋管内流体设计温度为32.5 ℃；供热工况下，两个测试孔的埋管内流体设计温度为7 ℃。供热（制冷）运行份额为1个供暖季（制冷季）内地源热泵系统平均每天的运行时间比例（全天运行折合满负荷运行的当量份额）。项目区以住宅为主，换热量主要参考运行份额为0.3对应的数值，钻孔间距为4.0 m时夏季和冬季土体换热量分别为49.15 W/m和35.97 W/m，间距5.0 m时夏季和冬季土体换热量分别为52.71 W/m和37.45 W/m。7结语通过对济宁任城地区进行现场热响应测试，得到项目区地层初始平均温度、地层综合物热性参数及土体换热量，主要结论如下：（1）通过无功循环测试发现，项目区200 m内岩土体初始平均地温为18.04 ℃。（2）通过恒定功率加热试验得出，项目区岩土体综合导热系数为1.78 W/(m·K)，岩土体综合比热容为2 613 818 J/(m3·K)。（3）项目区以住宅为主，运行份额为0.3，间距4.0 m时夏季和冬季土体换热量分别为49.15 W/m和35.97 W/m，间距5.0m时夏季和冬季土体换热量分别为52.71 W/m和37.45 W/m。