地源热泵系统岩土热响应试验探讨_工程实践

摘要

摘要：介绍了地源热泵系统岩土热响应试验的基本原理。对某地源热泵工程进行了岩土热响应试验，对试验结果的影响因素进行了分析。试验结果受地表空气温度及回填材料含砂量的影响

摘要：介绍了地源热泵系统岩土热响应试验的基本原理。对某地源热泵工程进行了岩土热响应试验，对试验结果的影响因素进行了分析。试验结果受地表空气温度及回填材料含砂量的影响较小。

关键词：地源热泵系统；岩土热响应试验；回填材料

Discussion on Rock-soil Thermal Response Test of Ground-source Heat Pump System

DENG Juntao，ZHENG Jianguo，GAO Shuxiao

Abstract：The basic principle of rock-soil thermal response test of ground-source heat pump system is introduced.The rock-soil thermal response test of a ground-source heat pump project is performed，and the influencing factors of the test result are analyzed.The test result is less influenced by the surface air temperature and sand content of backfill material.

Key words：ground-source heat pump system；rock-soil thermal response test； backfill material

1 概述

地源热泵空调系统以岩土体、地下水或地表水作为低温热源，由水源热泵机组、地埋管换热器、建筑物内空调系统组成。我国自20世纪90年代开展地源热泵技术研究以来，已经取得了大量的研究成果^[1～3]。由于地源热泵具有能耗低、制热性能较强、环保洁净等特点，近年来发展势头迅猛。对于地源热泵的设计，岩土热物性参数的选取是至关重要的。若岩土热物性参数选取不适当，易导致热泵系统不能满足建筑负荷要求或导致系统设计趋于保守造成过大的设计余量。

设计中采用的岩土热物性参数，主要是根据岩土的物理力学性质(含水量、密度、孔隙比等)查阅相关设计手册得到的经验值。但是这些经验值的范围较大，取值比较保守，导致设计余量较大，造成工程浪费。加之不同地区地质结构的复杂性和差异性，经验值可能与实际值有很大偏差。因此，GB 50366—2009《地源热泵系统工程技术规范》明确指出：当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在300～5000m²时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于5000m²时，应进行岩土热响应试验。本文以某地源热泵系统为例，阐述岩土热响应试验的基本原理，分析试验结果的影响因素。

该建筑位于西安市，建筑面积为3.2×10⁴m²，采用地源热泵系统进行夏季制冷和冬季供暖。按照GB 50366—2009要求，该地源热泵系统应进行岩土热响应试验，且试验钻孔的数量不应小于2个。试验钻孔的数量选为2个，钻孔的内径均为200mm，孔深均为100m，两孔相距150m。

GB 50366—2009对回填材料有专门的要求：地埋管换热系统应根据地质特征确定回填材料，回填材料的热导率不宜低于钻孔外或沟槽外岩土体的热导率。一般，砂及水泥、砂混合料的热导率均比岩土的大，因此该工程分别采用砂和水泥、砂混合料对钻孔进行回填。1号钻孔采用砂回填，2号钻孔采用水泥、砂混合料(体积比为3：7)回填，地埋管为PE管。

2 岩土热响应试验的基本原理

岩土热响应试验是通过向地下输入恒定的热流量，测量岩土的温度响应来计算测试深度内岩土的平均热物性参数的方法。试验时，在钻孔中埋设地埋管并按设计要求回填，使地埋管内充满水并循环流动，自某一时刻起采用恒定功率电加热装置对水加热一定时间，然后记录地埋管进出口水温及其对应的时间，从而计算钻孔周围岩土的热导率、钻孔热阻。将通过传热模型计算得到的平均水温与实测结果进行对比，并利用最优化方法使计算值与实测值的方差和达到最小，所对应的热导率即为最终结果。

岩土热响应试验系统实际为一个简单的闭式系统，通过地埋管加热土壤，并记录相关温度数据，采用专门的数据处理软件对数据进行分析处理，得到土壤的初始平均温度和平均热导率、平均比定压热容、平均热扩散率等热物性参数。岩土热响应试验系统结构见图1。主要由电加热器、循环泵、流量传感器、温度传感器、功率变送器、数据采集装置等组成，集成于固定台架上。试验时先启动电加热器、循环泵等设备，待设备运转稳定后开始记录数据，试验过程应连续不间断，持续时间不宜小于48h。

3 试验结果分析

① 岩土初始平均温度

试验仪器安装完毕后在地埋管内充满水，足够时间(一般48h)后，地埋管内水与岩土的温度达到平衡。将高精度PT100温度传感器置于地埋管内，移动测量100m深度范围内每1m深度水的温度，测量水温即为不同深度岩土的温度。1号钻孔的水流量及加热功率分别为2.14m³/h、2.01kW，2号钻孔分别为2.11m³/h、1.98kW。基于上述方法，在2009年9月测量1、2号钻孔岩土初始温度随钻孔深度的变化，见图2。由图2可知，受地表空气温度影响，0～10m深度范围内岩土温度变化较大，1号钻孔岩土温度范围为14.7～24.0℃，2号钻孔岩土温度范围为14.4～22.7℃，10m以下深度范围内岩土温度基本不受地表空气温度的影响。总体上岩土温度随深度增加而增加，不同钻孔同一深度岩土温度变化并不明显，温度变化梯度基本一致，说明该区域浅层岩土温度基本稳定。

根据测量结果，1、2号钻孔100m深度内岩土初始平均温度分别为15.89、16.09℃，取二者的平均值，经计算该区域岩土初始平均温度为15.99℃。

② 其他热物性参数

两个钻孔采用同样的测试仪器以及数据分析系统，地埋管与钻孔的传热过程近似为稳态传热过程，钻孔与岩土的传热过程认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。岩土热物性参数计算结果见表1。

表1 岩土热物性参数计算结果

钻孔	1号	2号
岩土平均热扩散率/(m²·d^-1)	0.052	0.053
岩土平均热导率/(W·m^-1·K^-1)	1.630	1.659

4 试验结果的影响因素

① 地表空气温度

根据实测结果，1号钻孔地表空气温度为34.9℃，2号钻孔地表空气温度为29.0℃，相差5.9℃。但两个钻孔的岩土初始平均温度仅相差0.2℃，平均热扩散率相差0.001m²/d，平均热导率相差0.029W/(m·K)，这说明浅层岩土的温度、热导显。率、热扩散率受地表空气温度的影响很小。

② 回填材料

由表1可知，1、2钻孔的岩土初始平均温度、平均热扩散率、平均热导率的差别不大。因此对于同一区域，当岩土的物理力学性质变化不大的情况下，试验结果受回填材料含砂量的影响不明显。

5 结论

① 岩土的热物性参数对地源热泵的设计非常重要，采用现场试验获得的热物性参数比采用其他手段(如经验值、实验室等)更能反映真实情况，较为可靠。

② 浅层岩土的平均初始温度、平均热扩散率、平均热导率受地表空气温度的影响很小。

③ 试验结果受回填材料含砂量的影响不明显。

参考文献：

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[3] 王泽生，颜爱斌，吕建.地源热泵间歇运行对地埋管换热器性能的影响[J].煤气与热力，2009，29(4)：A03-A06.

(本文作者：邓军涛郑建国高术孝机械工业勘察设计研究院陕西西安 710043)