地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)

張玉峰

摘要：地源熱泵技術(shù)是綠色環(huán)保、節(jié)能高效的能源利用技術(shù)。地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源，既能供熱又能制冷的環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)，通過輸入少量的電能，即可實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。結(jié)合相關(guān)規(guī)范，指出巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)在地源熱泵項(xiàng)目中應(yīng)用的問題、巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)方法及關(guān)鍵參數(shù)、鉆孔內(nèi)熱阻和熱擴(kuò)散率的計(jì)算方法以及《規(guī)范》中地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算與熱響應(yīng)試驗(yàn)間的關(guān)系進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：地源熱泵;巖土;熱響應(yīng)試驗(yàn)

巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)實(shí)施的前提，通過該試驗(yàn)可獲得現(xiàn)場地質(zhì)情況和巖土體熱物性參數(shù)，用于指導(dǎo)地埋管換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前該觀點(diǎn)正逐步被業(yè)主和設(shè)計(jì)人員接受[1]。通過熱響應(yīng)試驗(yàn)，了解項(xiàng)目所在區(qū)域巖土的基本物理性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，掌握巖土體的換熱能力，為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特點(diǎn)等設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以保障系統(tǒng)長期運(yùn)行的高效與節(jié)能。

一、巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)在地源熱泵項(xiàng)目中應(yīng)用的問題

近年來巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)在實(shí)際地源熱泵項(xiàng)目應(yīng)用中仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）有些熱響應(yīng)測試單位技術(shù)力量不足，對(duì)熱響應(yīng)測試?yán)碚摵汀兑?guī)范》的理解不充分，測試報(bào)告中僅給出導(dǎo)熱系數(shù)和單位井深取放熱量，忽略了熱響應(yīng)測試應(yīng)得到的其他關(guān)鍵參數(shù)。甚至有設(shè)計(jì)者將恒熱流測試時(shí)施加于地埋管換熱器的電加熱量直接作為地埋管換熱器的設(shè)計(jì)放熱量值[2]。

（二）為獲得項(xiàng)目的設(shè)計(jì)地埋管換熱器數(shù)量或地埋管換熱器總長度，設(shè)計(jì)師常用單位井深取放熱量作為設(shè)計(jì)依據(jù)[3]，未正確使用巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，使熱響應(yīng)試驗(yàn)僅成為界定設(shè)計(jì)責(zé)任的依據(jù)。

（三）不同項(xiàng)目中，地下巖土體熱物性參數(shù)、地埋管換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)出口溫度、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)可能不同，設(shè)計(jì)人員普遍反映僅依靠單一的單位井深取放熱量值無法找到合理的設(shè)計(jì)依據(jù)，無法根據(jù)不同的項(xiàng)目情況選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，并計(jì)算合理的地埋管換熱器數(shù)量[4]。

（四）地源熱泵動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算理論體系不完善，僅依靠現(xiàn)有的一些地源熱泵動(dòng)態(tài)耦合設(shè)計(jì)軟件，這類軟件的使用對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求很高，需要同時(shí)考慮建筑的動(dòng)態(tài)負(fù)荷、地源熱泵主機(jī)的動(dòng)態(tài)性能、輸配系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、地埋管換熱的動(dòng)態(tài)變化。設(shè)計(jì)人員若能正確使用以上軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合設(shè)計(jì)，僅應(yīng)用軟件所花費(fèi)的時(shí)間就會(huì)遠(yuǎn)長于地源熱泵圖紙的設(shè)計(jì)時(shí)間。

二、巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)方法及關(guān)鍵參數(shù)

（一）巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)理論

巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)理論體系大多基于無限長線熱源模型、無限長柱熱源模型和一些數(shù)值解模型，其中無限長線熱源模型由于計(jì)算簡單、方便，在國內(nèi)外巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛，需要強(qiáng)調(diào)的是它們僅限應(yīng)用于地下巖土體傳熱以導(dǎo)熱為主的情況下[5]。

（二）巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備

循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地埋管與測試設(shè)備內(nèi)的水循環(huán);加熱系統(tǒng)對(duì)地埋管內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行加熱;控制系統(tǒng)按照測試要求控制地埋管內(nèi)水的流量，控制加熱器的加熱量[6]，使地埋管換熱器向周圍巖土體的放熱量保持恒定;測量系統(tǒng)主要測量地埋管換熱器進(jìn)出口水溫、流量，用于后期熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

（三）巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)應(yīng)獲得的關(guān)鍵參數(shù)

1.地下巖土體初始溫度

地下巖土體初始溫度是地埋管換熱性能計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，在熱響應(yīng)試驗(yàn)加熱之前必須獲得。初始溫度的獲取主要有兩種方法，采用在鉆孔內(nèi)布置溫度傳感器或?qū)囟葌鞲衅鞑迦胱M水的PE管的方法獲得，記錄不同深度下的溫度，取所有溫度的算術(shù)平均值作為巖土的初始溫度，此方法得到的初始溫度與鉆孔內(nèi)布置的溫度測點(diǎn)數(shù)量和間距有關(guān)，要求間隔不宜大于10m。由于地表層巖土體溫度隨氣溫波動(dòng)較大，且地埋管一般埋設(shè)在地坪-1.5m以下，因此測溫點(diǎn)應(yīng)從室外地坪-1.5m以下開始布置。

2.地下巖土體導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)一般通過線性擬合的方法獲得，根據(jù)無限長線熱源模型及測試數(shù)據(jù)中各溫度間的關(guān)系即可反推出巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.鉆孔內(nèi)熱阻

地埋管傳熱通常以鉆孔壁為界分為鉆孔內(nèi)傳熱和鉆孔外傳熱兩部分，其中鉆孔外熱阻隨時(shí)間變化，鉆孔內(nèi)熱阻由于鉆孔尺寸較小而變化較小，可近似認(rèn)為是固定值。鉆孔內(nèi)熱阻是否準(zhǔn)確將直接關(guān)系到地埋管換熱器換熱性能的計(jì)算正確與否，單U形和雙U形地埋管換熱器換熱性能的差異也主要由鉆孔內(nèi)熱阻反映，雙U形地埋管換熱器鉆孔內(nèi)傳熱面積較大，且回填料較少，其鉆孔內(nèi)熱阻比單U形地埋管換熱器小。

4.巖土體其他熱物性參數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)、鉆孔內(nèi)熱阻、熱擴(kuò)散率和體積熱容之間的關(guān)系由熱響應(yīng)試驗(yàn)擬合曲線的截距反映。但僅根據(jù)無限長線熱源模型不能直接計(jì)算出以上參數(shù)，需要采用最小二乘法或參數(shù)估計(jì)法獲得。

三、鉆孔內(nèi)熱阻和熱擴(kuò)散率的計(jì)算方法

（一）最小二乘法

采用最小二乘法進(jìn)行熱物性參數(shù)的調(diào)整計(jì)算，使得熱響應(yīng)試驗(yàn)和理論計(jì)算的地埋管換熱器進(jìn)出水平均溫度方差和最小。此方法對(duì)數(shù)據(jù)處理能力要求較高，并且在使用該方法時(shí)需要設(shè)定相關(guān)約束條件，防止所得的鉆孔內(nèi)熱阻和熱擴(kuò)散率偏離實(shí)際值。

（二）參數(shù)假設(shè)法

當(dāng)試驗(yàn)人員無法掌握最小二乘法時(shí)可采用該方法進(jìn)行計(jì)算。該方法根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件查表估算巖土體的熱擴(kuò)散率，鉆孔內(nèi)熱阻可直接根據(jù)擬合曲線的截距反推獲得。

（三）最小二乘法與參數(shù)假設(shè)法的適用性分析

兩種計(jì)算方法獲得的鉆孔內(nèi)熱阻有一定偏差，以地埋管進(jìn)出水平均溫度的實(shí)測值和利用兩種方法分別獲得鉆孔內(nèi)熱阻后所計(jì)算的進(jìn)出水平均溫度的預(yù)測值之間的相對(duì)誤差為衡量指標(biāo)，采用最小二乘法時(shí)相對(duì)誤差較小，為0.3%左右;采用參數(shù)假設(shè)法時(shí)相對(duì)誤差為2.1%左右。

四、地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算與熱響應(yīng)試驗(yàn)間的關(guān)系

兩種鉆孔內(nèi)熱阻的計(jì)算方法，第一種給出了對(duì)流換熱熱阻、管壁熱阻、回填材料熱阻三項(xiàng)的計(jì)算公式，三項(xiàng)之和為鉆孔內(nèi)熱阻;第二種僅能計(jì)算單U形地埋管的鉆孔內(nèi)熱阻。以上兩種計(jì)算方法僅限于在未做熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算，當(dāng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行后，應(yīng)采用試驗(yàn)獲得的鉆孔內(nèi)熱阻作為設(shè)計(jì)依據(jù)，而不應(yīng)該根據(jù)理論計(jì)算得到，其原因如下。

1.實(shí)際鉆孔的大小會(huì)與計(jì)算中采用鉆孔的大小有偏差。

2.實(shí)際PE管之間的間距與下管的工藝水平有關(guān)，并且在深度方向管間距可能有所不同，理論計(jì)算只能假設(shè)一個(gè)固定的管間距，與實(shí)際不符。

3.回填料的熱物性在深度方向不是固定不變的，如有些段采用原漿回填、有些段采用混凝土或黃沙回填，或者采用某些混合回填料，回填料熱物性參數(shù)無法準(zhǔn)確獲知。

結(jié)語：

我國能源使用率偏低，能源發(fā)展存在著很多不穩(wěn)定、不確定因素，大力開展節(jié)能減排的研究和應(yīng)用工作是十分必要的。地源熱泵系統(tǒng)憑借其節(jié)能、環(huán)保、熱穩(wěn)定等特點(diǎn)，在國內(nèi)迅速發(fā)展。本文通過對(duì)地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的相關(guān)探討，希望對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

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