地源热泵系统岩土热响应试验

地源热泵系统岩土热响应试验

地源热泵技术是绿色环保、节能高效的能源利用技术。地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源，既能供热又能制冷的环保型空调系统，通过输入少量的电能，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。结合相关规范，指出岩土热响应试验在地源热泵项目中应用的问题、岩土热响应试验方法及关键参数、钻孔内热阻和热扩散率的计算方法以及《规范》中地埋管换热器设计计算与热响应试验间的关系进行探讨。

标签：地源热泵;岩土;热响应试验

岩土热响应试验是地埋管地源热泵系统实施的前提，通过该试验可获得现场地质情况和岩土体热物性参数，用于指导地埋管换热系统的设计，目前该观点正逐步被业主和设计人员接受[1]。通过热响应试验，了解项目所在区域岩土的基本物理性质，在此基础上，掌握岩土体的换热能力，为地源热泵系统设计人员结合建筑结构、负荷特点等设计系统优化方案提供基础数据，以保障系统长期运行的高效与节能。

一、岩土热响应试验在地源热泵项目中应用的问题

近年来岩土热响应试验在实际地源热泵项目应用中仍存在一些问题，主要表现在以下几个方面。

（一）有些热响应测试单位技术力量不足，对热响应测试理论和《规范》的理解不充分，测试报告中仅给出导热系数和单位井深取放热量，忽略了热响应测试应得到的其他关键参数。甚至有设计者将恒热流测试时施加于地埋管换热器的电加热量直接作为地埋管换热器的设计放热量值[2]。

（二）为获得项目的设计地埋管换热器数量或地埋管换热器总长度，设计师常用单位井深取放热量作为设计依据[3]，未正确使用岩土热响应试验结果，使热响应试验仅成为界定设计责任的依据。

（三）不同项目中，地下岩土体热物性参数、地埋管换热器的设计进出口温度、系统运行时间等参数可能不同，设计人员普遍反映仅依靠单一的单位井深取放热量值无法找到合理的设计依据，无法根据不同的项目情况选择合理的设计参数，并计算合理的地埋管换热器数量[4]。

（四）地源热泵动态耦合计算理论体系不完善，仅依靠现有的一些地源热泵动态耦合设计软件，这类软件的使用对设计人员的要求很高，需要同时考虑建筑的动态负荷、地源热泵主机的动态性能、输配系统的动态性能、地埋管换热的动态变化。设计人员若能正确使用以上软件进行动态耦合设计，仅应用软件所花费的时间就会远长于地源热泵图纸的设计时间。

二、岩土热响应试验方法及关键参数

（一）岩土热响应试验理论

岩土热响应试验理论体系大多基于无限长线热源模型、无限长柱热源模型和一些数值解模型，其中无限长线热源模型由于计算简单、方便，在国内外岩土热响应试验中应用最为广泛，需要强调的是它们仅限应用于地下岩土体传热以导热为主的情况下[5]。

（二）岩土熱响应试验设备

循环系统实现地埋管与测试设备内的水循环;加热系统对地埋管内循环水进行加热;控制系统按照测试要求控制地埋管内水的流量，控制加热器的加热量[6]，使地埋管换热器向周围岩土体的放热量保持恒定;测量系统主要测量地埋管换热器进出口水温、流量，用于后期热响应试验数据处理。

（三）岩土热响应试验应获得的关键参数

1.地下岩土体初始温度

地下岩土体初始温度是地埋管换热性能计算中的一个重要参数，在热响应试验加热之前必须获得。初始温度的获取主要有两种方法，采用在钻孔内布置温度传感器或将温度传感器插入注满水的PE管的方法获得，记录不同深度下的温度，取所有温度的算术平均值作为岩土的初始温度，此方法得到的初始温度与钻孔内布置的温度测点数量和间距有关，要求间隔不宜大于10m。由于地表层岩土体温度随气温波动较大，且地埋管一般埋设在地坪-1.5m以下，因此测温点应从室外地坪-1.5m以下开始布置。

2.地下岩土体导热系数

导热系数一般通过线性拟合的方法获得，根据无限长线热源模型及测试数据中各温度间的关系即可反推出岩土体的导热系数。

3.钻孔内热阻

地埋管传热通常以钻孔壁为界分为钻孔内传热和钻孔外传热两部分，其中钻孔外热阻随时间变化，钻孔内热阻由于钻孔尺寸较小而变化较小，可近似认为是固定值。钻孔内热阻是否准确将直接关系到地埋管换热器换热性能的计算正确与否，单U形和双U形地埋管换热器换热性能的差异也主要由钻孔内热阻反映，双U形地埋管换热器钻孔内传热面积较大，且回填料较少，其钻孔内热阻比单U 形地埋管换热器小。

4.岩土体其他热物性参数

导热系数、钻孔内热阻、热扩散率和体积热容之间的关系由热响应试验拟合曲线的截距反映。但仅根据无限长线热源模型不能直接计算出以上参数，需要采用最小二乘法或参数估计法获得。

三、钻孔内热阻和热扩散率的计算方法

（一）最小二乘法

采用最小二乘法进行热物性参数的调整计算，使得热响应试验和理论计算的地埋管换热器进出水平均温度方差和最小。此方法对数据处理能力要求较高，并且在使用该方法时需要设定相关约束条件，防止所得的钻孔内热阻和热扩散率偏离实际值。

（二）参数假设法

当试验人员无法掌握最小二乘法时可采用该方法进行计算。该方法根据现场地质条件查表估算岩土体的热扩散率，钻孔内热阻可直接根据拟合曲线的截距反推获得。

（三）最小二乘法与参数假设法的适用性分析

两种计算方法获得的钻孔内热阻有一定偏差，以地埋管进出水平均温度的实测值和利用两种方法分别获得钻孔内热阻后所计算的进出水平均温度的预测值之间的相对误差为衡量指标，采用最小二乘法时相对误差较小，为0.3%左右;采用参数假设法时相对误差为2.1%左右。

四、地埋管换热器设计计算与热响应试验间的关系

两种钻孔内热阻的计算方法，第一种给出了对流换热热阻、管壁热阻、回填材料热阻三项的计算公式，三项之和为钻孔内热阻;第二种仅能计算单U形地埋管的钻孔内热阻。以上两种计算方法仅限于在未做热响应试验时的设计计算，当岩土热响应试验进行后，应采用试验获得的钻孔内热阻作为设计依据，而不应该根据理论计算得到，其原因如下。

1.实际钻孔的大小会与计算中采用钻孔的大小有偏差。

2.实际PE管之间的间距与下管的工艺水平有关，并且在深度方向管间距可能有所不同，理论计算只能假设一个固定的管间距，与实际不符。

3.回填料的热物性在深度方向不是固定不变的，如有些段采用原浆回填、有些段采用混凝土或黄沙回填，或者采用某些混合回填料，回填料热物性参数无法准确获知。

结语：