周眾欽，吳靜紅*，李一雄，徐高峰，賈立翔

(1.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，蘇州 215011；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046；3.蘇州南智傳感科技有限公司，蘇州 215123)

近年來，用于建筑物供暖的化石燃料過度消耗，一方面造成了嚴(yán)重的空氣污染[1]，另一方面導(dǎo)致了傳統(tǒng)能源的日益枯竭。因此，減少化石燃料的燃燒，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能已成為各國(guó)現(xiàn)代城市主要的研究與發(fā)展方向。淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在地表以下一定深度(一般小于200 m)范圍內(nèi)巖土體、土壤、地下水，以及地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能(溫度一般低于25 ℃)[2]，有著持續(xù)、價(jià)格低廉、低能耗、輕污染的優(yōu)勢(shì)[3-5]，是可再生能源和清潔能源[6]。開發(fā)利用淺層地?zé)崮茉纯梢跃徑饽茉磯毫?，?duì)實(shí)現(xiàn)向低碳社會(huì)轉(zhuǎn)型有著重大的意義[7]。

在開發(fā)利用淺層地溫能之前，需要獲取開發(fā)區(qū)域土體的熱物性參數(shù)，尤其是土體的導(dǎo)熱系數(shù)。目前，現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)(thermal response test，TRT)是獲取地下巖土體熱物性參數(shù)最常用的技術(shù)[8]。Mogensen[9]首先提出了通過對(duì)鉆孔固定的熱提取速率來確定鉆孔熱阻的理論方法，也可以用來估算地面的熱導(dǎo)率。此后，為了更好地估算熱導(dǎo)率，提高地源熱泵的效率，降低熱孔阻力的方法一直是研究重點(diǎn)[10-11]。另一方面，測(cè)試持續(xù)時(shí)間關(guān)系到成本，在TRT試驗(yàn)也有重要影響。Pasquier[12]采用了新的一階近似模型，在加熱功率范圍為60～70 W/m的5種情況下，將加熱時(shí)間從72 h縮短到3 h。然而，雖然TRT能夠準(zhǔn)確地測(cè)試出原始地層的平均導(dǎo)熱系數(shù)，但由于實(shí)際巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著深度和方向的變化而變化，用平均導(dǎo)熱系數(shù)來模擬現(xiàn)場(chǎng)傳熱，和實(shí)際傳熱存在一定差距[13]。

精確測(cè)定每一土層的導(dǎo)熱系數(shù)，可以分析各土層在受到水分、滲流、溫度場(chǎng)等因素影響下的換熱能力，有利于定量研究各個(gè)因素對(duì)土體換熱能力的影響，進(jìn)而優(yōu)化地源熱泵的布設(shè)工藝，提高能源的有效利用率?；诶⑸涔獾姆植际綔囟雀袦y(cè)(distributed temperature sensing，DTS)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)分布式溫度測(cè)量，同時(shí)兼有光纖傳感技術(shù)的耐高溫、高壓、抗電磁干擾、(鉆井液)腐蝕性等特點(diǎn)[14]，已被用于鉆孔地溫場(chǎng)的監(jiān)測(cè)中[15]。Acua[16]將分布式光纖傳感測(cè)溫技術(shù)與TRT相結(jié)合，首次提出分布式熱響應(yīng)試驗(yàn)法(distributed thermal response test，DTRT)。Asl等[17]進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，在進(jìn)行DTRT時(shí)將水注入BHE(borehole heat exchanger)環(huán)空的地下水中，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隨著注水速度的增加，其性能系數(shù)也明顯提高。雖然 DTRT可以精確獲取不同地層的導(dǎo)熱系數(shù)，但仍具有TRT的一些缺點(diǎn)，如測(cè)試設(shè)備很大，對(duì)場(chǎng)地有一定的要求；測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，常規(guī)測(cè)試一般都在48 h以上，不利于捕捉一些快速的波動(dòng)的影響。此外，雖然傳統(tǒng)的TRT儀器不是特別昂貴，但得到的結(jié)果往往會(huì)有相關(guān)的誤差[18]。因此，較高的成本和時(shí)間消耗仍然是TRT應(yīng)用過程中的一些問題，這也阻礙其廣泛使用[19]。

基于此，使用加熱絲代替熱載體流體作為熱源，同時(shí)也用光纖技術(shù)測(cè)量沿井眼的溫度變化的方法得到了學(xué)者的關(guān)注。Dornstadter等[20]利用增強(qiáng)熱響應(yīng)試驗(yàn)(enhanced thermal response test, ETRT)，將多根銅芯電纜和光纜組裝成混合光纜，安裝在 BHE 中的U形管的外表面，通過攜帶電流的銅線沿BHE提供加熱，并在加熱階段沿BHE進(jìn)行連續(xù)深度分辨溫度測(cè)量。Vieira等[21]證明，與傳統(tǒng)的TRT相比，ETRT應(yīng)用需要更少的功率和縮短的測(cè)試時(shí)間。Freifeld等[22]提出了一種將 DTS 與電阻加熱器相結(jié)合的方法來估計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)，證明TRT使用主動(dòng)加熱的光纖電纜，特別是將混合電纜放置在管道外表面或直接安裝在井眼中，可以在一定程度上節(jié)省電力和現(xiàn)場(chǎng)熱導(dǎo)率測(cè)量的測(cè)試時(shí)間[21-23]。然而，到目前為止，這種基于主動(dòng)加熱光纖的熱響應(yīng)測(cè)試(active heating optical fiber thermal response test，ATRT)還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的工具和程序。該方法是通過對(duì)待測(cè)光纜進(jìn)行主動(dòng)加熱，產(chǎn)生熱脈沖，根據(jù)熱脈沖的擴(kuò)散獲取熱物性參數(shù)以及土中水分場(chǎng)和滲流場(chǎng)數(shù)據(jù)，具有能耗低、測(cè)試快的特點(diǎn)。雖然目前這方面的應(yīng)用研究很少，但這種測(cè)試方法已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力。

為了確定江蘇省常州金壇地區(qū)的地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確分布，進(jìn)行了分布式熱響應(yīng)測(cè)試(DTRT)和基于分布式溫度傳感技術(shù)的ATRT試驗(yàn)，得到該地區(qū)的不同深度巖土導(dǎo)熱系數(shù)分布情況，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。同時(shí)，詳述了DTRT和ATRT兩種技術(shù)的試驗(yàn)工序及方法，對(duì)比了其測(cè)試效果及優(yōu)劣，為同類型淺層地溫能的開發(fā)利用提供技術(shù)支持。

1 測(cè)試原理

1.1 DTS測(cè)溫原理

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)確定導(dǎo)熱系數(shù)λ時(shí)，精度最高、最常用的DTS是基于拉曼散射光的時(shí)域反射計(jì)(roman optical time domain reflectometer，ROTDR)[24]。其傳感原理是：光在光纖中傳播，由于光纖中的超聲波會(huì)發(fā)生拉曼散射，拉曼散射的能量分布與溫度直接相關(guān)，通過該技術(shù)可探測(cè)到光纖沿線每一點(diǎn)的溫度。因此，通過在鉆孔中植入測(cè)溫光纜，利用DTS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各層土體溫度的分布式精確測(cè)量。

1.2 線熱源模型

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)主要有線熱源模型[25]和圓柱熱源模型圈[26]。采用了地埋管傳熱的線熱源理論，將光纖當(dāng)作一個(gè)有恒定的放吸熱率的無(wú)限長(zhǎng)線熱源，并假設(shè)地下巖土是無(wú)線均勻大的介質(zhì)，則t時(shí)刻距離線熱源中心r處的溫度函數(shù)[27]可表示為

(1)

式(1)中：T0為初始溫度；q為線熱源單位長(zhǎng)度的熱流率，W/m；λ為均勻介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；a為物體的導(dǎo)熱系數(shù)，m2/s。

(2)

當(dāng)u取值較小時(shí)，則有

(3)

式(3)可以改寫成

(4)

式中：γ為歐拉常數(shù)，取0.577 2。

若u很小，則r很小或者at很小，則式(4)可簡(jiǎn)化為

(5)

在不同的時(shí)刻測(cè)得某一點(diǎn)處的溫度分別為T1(r,t)和T2(r,t)，則

(6)

所以，導(dǎo)熱系數(shù)為

(7)

因此只要測(cè)得某點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度，建立溫度與時(shí)間的對(duì)數(shù)的函數(shù)關(guān)系，通過斜率，可以計(jì)算得到土體的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 地理位置及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件

試驗(yàn)鉆孔位于江蘇省常州市金壇市白天線建湖農(nóng)機(jī)(31°48′26.57″N，119°30′11.58″E)。鉆孔深度100 m，光纜的有效長(zhǎng)度為99 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該鉆孔總共經(jīng)過28個(gè)地層，主要有粉土、粉砂、含礫泥質(zhì)中粗砂、泥巖、玄武巖、粉砂質(zhì)泥巖、角礫巖、粉質(zhì)黏土等，土層分布如圖1所示。

圖1 鉆孔地質(zhì)剖面圖

2.2 傳感光纜和解調(diào)儀

測(cè)溫光纜采用南智傳感科技有限公司生產(chǎn)的銅網(wǎng)內(nèi)加熱溫度感測(cè)光纜(NZS-DTS-C10)，該光纜既可以作為溫度感測(cè)光纜，又可以作為一線性熱源，測(cè)溫光纖在中間，周圍采用銅網(wǎng)編織層作為加熱源，阻值小，可加熱距離長(zhǎng)，適用于鉆孔類地溫場(chǎng)主動(dòng)加熱監(jiān)測(cè)，可直埋于鉆孔內(nèi)或黏貼在鉆孔換能管表面，其具體參數(shù)見表1。

表1 銅網(wǎng)內(nèi)加熱溫度感測(cè)光纜性能參數(shù)

解調(diào)儀采用DTS-ROTDR光時(shí)域分布式光纖溫度測(cè)量?jī)x。該測(cè)溫系統(tǒng)是一種光時(shí)域溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它以光纖中的拉曼散射原理為基礎(chǔ)，結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量光纖沿線任一點(diǎn)所處的溫度，其測(cè)量距離從幾千米到幾十千米的范圍，空間定位精度可以達(dá)到0.4 m量級(jí)，測(cè)溫精度0.1 ℃，且能進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)在線測(cè)量，特別適用于大范圍多點(diǎn)測(cè)量的場(chǎng)合。

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 DTRT

進(jìn)行DTRT試驗(yàn)時(shí)，在鉆孔中布設(shè)雙U形PU管，其中2根為進(jìn)水管，2根為出水管，如圖2所示。用扎帶固定方式在PU管外壁上布設(shè)溫度感測(cè)光纜，其中1根光纜布設(shè)在進(jìn)水管上，另1根光纜布設(shè)在出水管上，形成一條回路。管內(nèi)恒熱流為熱源，光纜為傳感器。進(jìn)行大小功率條件下兩次試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：在PU管內(nèi)注入常溫水循環(huán)24 h后，設(shè)置熱響應(yīng)儀的加熱功率為4 kW(小功率)，進(jìn)行恒熱流加熱48 h，停止加熱，進(jìn)行無(wú)功循環(huán)12 h恢復(fù)至初始地溫；將加熱功率調(diào)整為8 kW(大功率)，重復(fù)上述步驟后結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，采集間隔時(shí)間為30 s。

圖2 DTRT試驗(yàn)與銅網(wǎng)內(nèi)加熱光纜實(shí)際布設(shè)圖

2.3.2 ATRT

待DTRT試驗(yàn)結(jié)束，地溫場(chǎng)恢復(fù)后進(jìn)行ATRT試驗(yàn)。鉆孔光纜布設(shè)方式與DTRT相同，如圖3所示，在孔內(nèi)形成1個(gè)獨(dú)立的U形光纜回路，銅網(wǎng)內(nèi)加熱光纜既為熱源，也為傳感器。試驗(yàn)過程如下：對(duì)初始地溫測(cè)試30 min后，對(duì)測(cè)溫光纜進(jìn)行主動(dòng)電加熱，設(shè)置單位長(zhǎng)度熱源加熱功率分別是1.5、3、5、7 W/m，加熱至溫升穩(wěn)定后繼續(xù)加熱20 min，結(jié)束加熱，溫度急劇下降，而后溫度下降逐漸趨于平緩，降溫1 h后，溫度逐漸接近環(huán)境溫度，待溫度恢復(fù)后試驗(yàn)結(jié)束。其中，不同功率下加溫和降溫時(shí)間略有不同，試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，采集間隔時(shí)間為15 s。

圖3 ATRT試驗(yàn)與光纜電加熱系統(tǒng)圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 DTRT測(cè)試結(jié)果

3.1.1 地埋管溫度變化

恒熱流加熱測(cè)試中，大小功率的加熱時(shí)間都是48 h，圖4為加功率后1、5、10、15、25、35、45 h時(shí)DTS測(cè)得的進(jìn)水口管光纜溫度的隨深度及時(shí)間的變化曲線。從圖4可以看出不同功率下不同時(shí)刻鉆孔剖面的溫度數(shù)據(jù)都具有很好的連續(xù)性，在深度方向上，根據(jù)溫度差異的變化，淺層地溫能基本可以分成3個(gè)區(qū)域：A變溫層、B恒溫曾、C增溫層[28]。根據(jù)測(cè)試溫度曲線，確定該地區(qū)變溫層為0～10 m深度，溫度隨著地表氣象條件(大氣環(huán)境、太陽(yáng)輻射等)的周期性變化比較明顯；恒溫層在10～45 m范圍內(nèi)，溫度較為穩(wěn)定，幾乎不受外界環(huán)境因素的影響；恒溫層以下為增溫層(深度大于45～50 m)，溫度大致呈線性增加趨勢(shì)。時(shí)間上，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，土體溫度逐漸升高。剛加功率的時(shí)候，地溫場(chǎng)的溫度上升較快，之后溫度上升的速度逐漸變緩，這是因?yàn)樵囼?yàn)剛開始時(shí)，溫度受到鉆孔和地埋管的影響，大多數(shù)注入的熱量用于加熱循環(huán)流體和灌漿。隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，PU管內(nèi)的熱量傳遞逐漸穩(wěn)定，土體的導(dǎo)熱系數(shù)成了后期影響溫升趨勢(shì)的主要參數(shù)[29]。4 kW加熱從第1～第45小時(shí)之間溫度升高了8 ℃左右，而8 kW加熱溫度一共升高了10～15 ℃，可以看出大功率加熱溫度上升的幅度遠(yuǎn)大于小功率，這也使得各地層的導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)更加明顯，更加有利于分析各地層的儲(chǔ)能情況。

圖4 進(jìn)水口管溫升趨勢(shì)

以8 kW加熱時(shí)為例，從溫度云圖上顯示，在42 m左右(溫度云圖中第1段)，溫度較低，散熱較快，推測(cè)該處可能存在滲流；在45 m左右處(溫度云圖中第2段)，溫度較高，散熱較慢，此處巖性發(fā)生改變，土層(泥巖)相對(duì)上層土層(黏土和砂土)散熱性差；在50～100 m深度范圍內(nèi)，土層性質(zhì)基本一致，為玄武巖。值得注意的是，在80～90 m處存在泥巖，角礫巖以及粉砂質(zhì)泥巖，其傳熱性能優(yōu)于玄武巖，因此散熱效率更高，因此可以看到，從70～80 m(溫度云圖中第3段)溫度逐漸降低，而在80～90 m左右附近(溫度云圖中第4段)出現(xiàn)低溫段。

3.1.2 導(dǎo)熱系數(shù)

圖5為進(jìn)水口段水溫(T)和時(shí)間對(duì)數(shù)(lnt)之間的關(guān)系曲線，前期升溫受換能管和回填物的影響，為無(wú)效時(shí)間段。有效時(shí)間段所測(cè)得的溫度主要由土層的導(dǎo)熱系數(shù)決定，因此擬合出有效段的斜率，代入式(7)可進(jìn)一步計(jì)算得出各土層的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 溫度與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系

不同深度土體的導(dǎo)熱系數(shù)分布如圖6所示。在35～45 m，導(dǎo)熱系數(shù)變化明顯，與地層圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，38～42 m的地層，砂土和粉土交替，而粉土的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砂土，這與Abu-Hamdeh等[30]的研究成果一致。90～100 m地層的導(dǎo)熱系數(shù)隨著深度有一定的增加，說明在90～100 m深度范圍內(nèi)，土層的滲透性沿著深度逐漸增加，水平向滲流的速度沿著深度也越來越快。整體上使用DTS試驗(yàn)獲得的各地層的導(dǎo)熱系數(shù)可以直觀地反映不同地層的導(dǎo)熱性質(zhì)，4 kW和8 kW加熱導(dǎo)熱系數(shù)分布趨勢(shì)基本相同，但是，大功率的測(cè)試的效果更加明顯。

圖6 DTS所測(cè)鉆孔導(dǎo)熱系數(shù)分布

將所得到的導(dǎo)熱系數(shù)取平均值，得到表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，8 kW得到的導(dǎo)熱系數(shù)2.481 W/(m·K)大于4 kW所得的1.631 W/(m·K)，因?yàn)殡S著功率增大，加熱的溫度上升，土體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，其機(jī)理為：土體溫度升高，土體中水分體積變大，與此同時(shí)，水分子的活動(dòng)更加劇烈，進(jìn)而熱量交換的能力也增強(qiáng)，交換形式為上下對(duì)流，因此試驗(yàn)溫度越高，水分子活動(dòng)越快，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸變大[31]。與傳統(tǒng)TRT試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4 kW功率加熱時(shí)，TRT與DTS測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)絕對(duì)誤差為0.170 W/(m·K)，8 kW功率加熱時(shí)，TRT與DTS測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)絕對(duì)誤差為0.235 W/(m·K)。DTRT與熱響應(yīng)儀器得到的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)誤差約為9%，表明DTRT測(cè)試得的導(dǎo)熱系數(shù)的分布是有效的。

表2 4 kW和8 kW加熱功率下導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

3.2 ATRT測(cè)試結(jié)果

3.2.1 自主加熱光纜溫度變化

加熱測(cè)試中，4種功率的加熱時(shí)間根據(jù)溫度變化確定，圖7為深度1、20、40、60、90 m處DTS測(cè)得的加熱光纜溫度隨時(shí)間變化曲線。其中1 m處靠近地表，20 m處幾乎不受地表溫度的影響，40 m處存在水平滲流，在45～80 m深度范圍內(nèi)均為玄武巖地層，在85 m左右?guī)r層交替變化，86 m深度也是玄武巖地層，取60 m和90 m處深度玄武巖地層進(jìn)行比較。4種功率加熱過程中得到的溫升曲線可以看出，升溫過程可分為三個(gè)階段：第一階段，在短時(shí)間內(nèi)，溫度迅速升高；第二階段，溫度繼續(xù)上升，但升溫速率明顯小于第一階段；第三階段，溫度上升趨于平緩。土體導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)溫度平緩后的曲線計(jì)算得出。其中，1.5 W/m所測(cè)得的溫升曲線并沒有明顯的溫度變化，推測(cè)是由于電壓過小，光纜的散熱速率高于自身的加熱效率。7 W/m因變壓器過載，多次測(cè)量中途跳閘，無(wú)法繼續(xù)測(cè)量，升溫過程不完整。因此，加熱功率過小或過大都不適用于現(xiàn)場(chǎng)的自主加熱的測(cè)試中。在距離地面1 m左右處，溫度是最高的，因?yàn)樗幍貙涌拷乇?，受地表溫度影響較大；40 m深度左右溫度最低，因?yàn)樵摰貙哟嬖诘臐B流，散熱速度較快；對(duì)比玄武巖在60 m與90 m深度范圍的溫度變化，可以發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)相同的巖層，在越深處儲(chǔ)熱性能越佳。

圖7 4種功率時(shí)間-溫升曲線

圖8為3 W/m和5 W/m功率下0、5、10、20、30、40 min時(shí)DTS測(cè)得的進(jìn)水口管光纜溫度的時(shí)空變化曲線。可以看到，各地層溫升趨勢(shì)所顯出的變溫層、恒溫層、增溫層三個(gè)區(qū)域位置與DTRT所測(cè)得基本相同。3 W/m加熱40 min溫度升高約2 ℃，而5 W/m加熱40 min溫度升高了約4 ℃，5 W/m溫升幅度大于3 W/m，更加適合現(xiàn)場(chǎng)加熱。

圖8 溫升趨勢(shì)

3.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

利用3 W/m和5 W/m的加熱曲線得到光纜溫度(T)和時(shí)間的對(duì)數(shù)(lnt)之間的關(guān)系曲線，計(jì)算土體的導(dǎo)熱系數(shù)，得到的土體導(dǎo)熱系數(shù)分布如圖9所示。從圖9可以看出，3 W/m功率加熱時(shí)，0～10 m的土層導(dǎo)熱系數(shù)不穩(wěn)定，因?yàn)榇朔秶幱谧儨貙樱⑶壹訜峁β什淮?，靠近地表的土體導(dǎo)熱系數(shù)受到外界環(huán)境和加熱功率的影響較大，因此在對(duì)3 W/m加熱下的土體導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，此段可忽略。20～100 m范圍內(nèi)的土層的導(dǎo)熱系數(shù)在0.1～0.6 W/(m·K)，平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.182 W/(m·K)；5 W/m功率加熱時(shí)，整個(gè)土層的導(dǎo)熱系數(shù)在0.4～0.9 W/(m·K)，平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.581 W/(m·K)。

圖9 ATRT試驗(yàn)鉆孔導(dǎo)熱系數(shù)分布

比較3 W/m和5 W/m所得的導(dǎo)熱系數(shù)，可以看出，5 W/m得到的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于3 W/m的，但和DTRT所測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)比較，明顯偏小，主要是因?yàn)椋? kW和8 kW功率大得多，總的溫升幅度也更大，功率越大，所計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)也越大。

3.3 ATRT與DTRT的比較

圖10為ATRT與DTRT導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，3 W/m自主加熱的分層導(dǎo)熱系數(shù)變化并不明顯，但仍可以看到在40 m左右導(dǎo)熱系數(shù)的明顯增大，這與DTRT在8 kW功率下在40 m左右的導(dǎo)熱系數(shù)趨勢(shì)相同。5 W/m自主加熱顯示的分層導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律與DTRT在8 kW功率下的導(dǎo)熱系數(shù)趨勢(shì)大體相似，但是明顯小于8 kW的導(dǎo)熱系數(shù)?？紤]到是因?yàn)楣β瘦^小的原因，后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可采用更大功率的變壓器，提高ATRT測(cè)試敏感度。值得注意的是，ATRT測(cè)試中熱源為光纜本身，其比熱容和面積較小，在熱源中耗散的熱量較少，升溫過程更快，所需穩(wěn)定的時(shí)間更短。因此，在滿足導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試正確性的前提下，ATRT在地溫能監(jiān)測(cè)中具有更大的潛力。

圖10 ATRT與DTRT 熱導(dǎo)系數(shù)比較

4 結(jié)論

利用江蘇省常州市金壇市一100 m鉆孔，進(jìn)行了分布式熱響應(yīng)測(cè)試(DTRT)和基于分布式溫度傳感技術(shù)的主動(dòng)加熱光纖熱響應(yīng)測(cè)試(ATRT)，得出如下結(jié)論。

(1)將DTS技術(shù)與TRT相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)各土層導(dǎo)熱系數(shù)的分布式測(cè)試。DTRT和TRT測(cè)試的導(dǎo)熱系數(shù)平均值具有一致性，相對(duì)誤差為9%左右，在可接受范圍內(nèi)。

(2)DTRT試驗(yàn)中，不同功率熱時(shí)土體熱導(dǎo)系數(shù)分布趨勢(shì)基本相同，但大功率加熱溫度上升幅度大于小功率加熱，得到的各層導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)更加明顯，更利于地層儲(chǔ)能情況的分析。

(3)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該地區(qū)地下38～42 m的地層，存在砂土層，導(dǎo)致該層的導(dǎo)熱系數(shù)較大，在設(shè)計(jì)地源熱泵換能管時(shí)，深度應(yīng)至少穿越該砂土層，可以使地源熱泵系統(tǒng)的換能效率進(jìn)一步提高。

(4)由于加熱功率較小，ATRT試驗(yàn)得到的土層導(dǎo)熱系數(shù)與DTRT相比整體偏小，但分布趨勢(shì)大體相同，證明了將ATRT應(yīng)用到土層導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試中的可行性。

(5)在獲得相對(duì)可靠的導(dǎo)熱系數(shù)的前提下，ATRT比TRT和DTRT測(cè)試所需要的時(shí)間更短，耗能更低，具有廣泛應(yīng)用前景。