岩土热响应试验在土壤源热泵系统设计中的应用

郝小充 余跃进 毛炳文 胡纯良 张海琳

(南京师范大学 能源与机械工程学院 南京 210042)

影响地埋管地源热泵系统性能的因素较多，包括地下水流动、回填材料性能、换热器周围发生镶边的可能性及沿管长岩土体物性的变化等，而准确确定最佳地埋管换热器的尺寸是发展和推广地埋管地源热泵的关键，如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要；也可能规模过大，从而加大初期投资。解决这个问题的关键在于获得准确的当地岩土取、放热特性。然而，不同地区、不同地方的土壤类型、原始地温、日照强度等条件不尽相同，我国不同地区地质调查与土壤类型分布数据库还不完整,简单的依赖图表或者单一的试验室数据不能宏观的概括影响土壤热交换器传热性能的所有因素[1]，基础资料的缺乏制约了土壤源热泵技术的推广。

目前，土壤热物性参数测试主要有三种方法：根据前期钻井获取的地质资料，通过查找土壤地质方面的手册进行测定；试验室取样测试法；现场测试法。由于第一种方法虽然简便快捷但很难保证系统建设和运行的经济性和合理性，第二种方法离开了原工程地，对实际因素造成的影响考虑不够全面，比较可得在土壤源热泵规划施工场所当地进行的岩土热响应试验可以充分考虑到现场各因素的影响从而获得完整和准确的设计数据。这类现场测试装置的发展是预测土壤热物性的发展方向，使土壤换热器的设计更为合理，因此，为保证一个土壤源热泵系统准确的设计，岩土热响应试验是必不可少的前提[2]。针对这种情况，这里结合实际工程对岩土热物性试验中的关键问题进行分析，为土壤源热泵系统地下换热盘管的设计及施工提供参考数据和指导。

1 工程概况

江苏省南京市某土壤源热泵项目位于南京市雨花台区，建筑面积为2.26×106m2，是一个综合性医院，要求所有建筑具有冬季供暖，夏季供冷的功能，并可以提供生活热水和特殊的空调环境。项目所在地区多年平均气温为15.73℃，1月平均气温2.18℃，7、8月平均气温28.13℃，极端最高气温38.2℃，极端最低气温-13.1℃。岩土热物性测试项目包括：岩土体的结构与分布，岩土热物性与分布，岩土体平均温度，地下水静水位、水温，地埋管冬、夏季每延米井深换热量[3]。勘察概况：地埋管形式为DE25双U型埋管2口，井深100m，管材为PE100，地埋管井回填砂砾岩采用原土混合一定比例的砂、水泥回填，在粘土层采用含10%膨润土、90%SiO2砂子的混合物回填，地埋管换热器垂直钻孔直径为130～150mm。工程项目包括：打井并及时回填和下管；测试仪器进场，连接测试仪器与钻孔内地埋管并做好保温工作；由注水管向试验系统注水；启动循环水泵开始岩土热响应试验；采集数据；完成测试报告。

2 岩土热响应试验

2.1 打井及双U型管埋设

根据规范要求[4]，结合项目的实际情况，打如图1所示试验测试用井2口，实际打井深度为101m[3]。

图1 双U型地埋管换热器Fig.1 Double U-tube heat exchanger

考虑到试验孔在热响应试验结束后可再利用等因素，试验孔钻探位置选择在地埋管区域内。双U型管埋设结束以后应立即将管内充满清水，并进行封口回填，一个星期左右孔内的回填材料已经充分凝固，从而保证埋管与地下土壤能够进行充分的换热，因此，测试宜在埋管封口后一周左右时间进行。

试验孔和地埋管的施工与安装数据如表1所示。

表1 试验孔和地埋管的施工与安装数据Tab.1 The construction and installation data of the test holes and buried pipes

2.1.1 工程地质分析

表2 1#钻孔地质概况Tab.2 The geological situation of test hole of 1#

表3 2#钻孔地质概况Tab.3 The geological situation of test hole of 2#

结合现场勘察及打井资料分析得出：项目所在场地地势平坦，地层结构较简单，土层分布连续，厚度较稳定。在100m深度范围内，地层主要为土层和岩石层，其中土层厚约40m，岩石层厚约60m。地质分层概况如表2、3所示。

2.1.2 水文分析

工程所在地的地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水主要赋存于土层中，水量不大，其补给来源是大气降水的垂直渗入，以地表蒸发及渗流方式排泄，水位随季节变化。基岩裂隙水赋存于岩层中，水量较贫乏。基岩裂隙水贮存并运移于裂隙中，主要受裂隙密集度、张开度和连通性控制，其流场往往是不连续的,不能形成水量分布比较均匀的层状含水系统。钻孔施工期间，地下水位埋深为1.60m,水位随季节变化，水位变幅在0.5m～1.0m左右，区域的冻土层厚度为0.3m～0.5m。

2.1.3 钻孔难易程度与钻孔深度分析

项目地层构成较为简单，主要由粘土层和岩石层构成，约40m厚的土层钻进难度小，更深处的约60m厚的岩石层随着风化程度的变化，钻孔难度逐渐变大，钻孔总体施工难度一般。最终埋管深度的选择还需综合考虑建筑负荷、埋管可利用面积、单位埋管换热量等因素。

2.2 土壤热物性测试

2.2.1 试验装置

图2 试验装置示意图Fig.2 The diagram of experimental apparatus

试验测试主要分两部分，分别为土壤的原始温度的测试及冬、夏季工况时地下垂直双U型地埋管换热器的换热试验测试。井内埋管通过水平连接管道连接至试验台。连接管道采用25mm厚的橡塑保温材料进行保温以减少连接管道和环境的热交换。水泵提供动力实现水的循环，并通过阀门调节流量的大小。测试试验装置如图2所示。实验台将测试仪器内部管道与地埋管连接构成闭式循环系统，由试验台配备的热泵和电加热器控制地埋管内换热介质的温度。

试验用温度和流量传感器均连接于测试台内，控制计算机与试验台的CFP控制模块与数据采集模块之间采用高速通信线路连接，实时自动采集数据。为了提高试验的精确度，试验中，所有温度传感器均采用A级PT100型铂电阻传感器，理论上的基本误差为±0.1℃左右。循环水的测量采用了等级为0.5%的高精度涡轮流量传感器。循环水泵采用变频泵，以便于控制循环水的流量及流速。

2.2.2 原始地温测试

土壤初始温度测试在埋管封口一周后进行，在未开启循环水泵的时候，由于水箱当中采用的是地表水，其温度在17.7℃左右，试验装置在电加热开启之前，使水泵启动循环2h左右，随着换热时间的变化，循环水通过地埋管与地下土壤进行充分换热之后，观察埋管换热介质的进出口温度的稳定时，开始岩土初始平均温度测试，从图3可以看出水泵的运行做功在初始阶段对循环水温的温度产生很小的影响，所以将后期稳定阶段循环水的平均温度为岩土初始平均温度[5]，试验开始大约17分钟后地埋管进出水温大致稳定，此时的平均温度可认为是项目所在地的岩土初始平均温度，岩土初始平均温度为17.95℃。

图3 U型埋管换热器的进出口水温随时间变化曲线Fig.3 The intake and outlet water temperature trend curve of ground U-tube

2.2.3 恒热流模拟试验

通过对图2所示的试验装置测试土壤热物性参数数据的分析处理，得到了垂直双U型埋管换热器的进出口温度的变化曲线如图4、5所示。

由图4可以看出试验地埋管内换热介质的进出口温度在初期上升得较快，因为在初期地下岩土体的温度处于初始平均温度，地埋管内循环介质与周围岩土之间的温差较小，向周围岩土散热量较小，而电加热功率恒定，导致换热介质的温升较快，而随着换热介质与地埋管换热器之间换热的不断进行，地埋管与周围岩土体的温差逐步稳定，此时地埋管进出口温差保持稳定，满足试验要求的恒热流条件，也说明地埋管换热器的换热能力是稳定的。

图5所示可以看出2#钻孔地埋管内换热介质的进出口温度的变化趋势与1#相同，变化范围也很相近，说明两口测试孔的换热能力相近，证明了此次测试数据的可靠和准确。图5的曲线上升过程有些许的波动，但是对整体趋势并无影响。

图4 1#钻孔双U型地埋管内换热介质进出口温度和平均温度图Fig.4 The mean water temperature and inlet and outlet water temperature trend of the ground U-tube I

图5 2#钻孔双U型地埋管内换热介质进出口温度和平均温度图Fig.5 The mean water temperature and inlet and outlet water temperature trend of the ground double U- tube II

3 数据处理

3.1 岩土热物性参数的计算

平均导热系数 λ 是综合考虑地下换热器埋深范围内的其他特性因素的综合系数。根据线热源理论，当散热功率不变时，埋管内换热介质的平均温升和时间的对数成线性关系，将二者拟合成一条曲线，得到斜率和截距，如图6、7所示。

图6 1#钻孔双U型地埋管流体平均温升与对数时间拟合曲线Fig.6 Regression curve of mean fl uid temperature rise to logarithm time of ground double U-tube I

图7 2#钻孔双U型地埋管流体平均温升与对数时间拟合曲线Fig.7 Regression curve of mean fl uid temperature rise to logarithm time of ground double U-tube II

结合如图6、7所示试验数据的拟合结果图，根据以下公式计算岩土的导热系数[4]。

式中，Q—钻孔每延米的换热量，W/m；K—拟合曲线得到的斜率。

经计算，1#、2#双U型地埋管换热器的岩土体导热系数分别为2.170W/(m.K)，2.166W/(m.K)，根据规范，可得项目的岩土体平均导热系数为2.168W/(m.K)。

3.2 地埋管换热器换热量的计算

根据《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366—2009)附录B推荐的公式及试验得到的数据计算单个钻孔的钻孔热阻，地层热阻，脉冲热阻，地下岩土综合热阻(包括钻孔内热阻，地层热阻和脉冲热阻三项，同时考虑制热季节的制热运行份额和制冷季节的制冷运行份额)及钻孔在试验条件下每延米的取放热量，得到综合热物性如表4所示。

表4 岩土体综合热物性参数表Tab.4 The comprehensive thermophysical parameters table of rock and soil

双U型埋管土壤源热泵系统的地埋管换热器换热能力为夏季工况(35℃)每延米井深换热量为69.6W/m，冬季工况(5℃)每延米井深的换热量为51.2W/m。

4 总结

1)对2个钻孔地埋管换热器进行了试验测试，提高了项目岩土热响应测试结果的可靠度，两口井的测试数据趋势一致也说明工程所在地地质条件较均匀稳定，测试结果为项目总体管群设计提供了实际参考依据。

2)通过岩土初始温度测试得到试验岩土体初始平均温度为17.95℃，与当地全年平均气温相当，可代表项目所在地以及周围区域的岩土温度状况。该项目的岩土初始平均温度对冬季埋管取热与夏季排热都较有利。

3)岩土热物性测试结果表明工程所在区域每延米井深的的换热量如下：夏季工况(35℃)每延米井深换热量为69.6W/m，冬季工况(5℃)为51.2W/m，钻孔的总热阻为0.272(m.K)/W。

4)地下水位埋深为1.60m，水位随季节变化，水位变幅在0.5m～1.0m左右，该区域的冻土层厚度为0.3m～0.5m，打井难度不大，经过工程地质分析及水分分析，表明工程埋管区综合地质条件较适宜采用土壤源热泵空调系统。

[1]王书中,由世俊,张光平.热响应测试在土壤热交换器设计中的应用[J].太阳能学报,2007,28(4):405-409.(Wang Shuzhong, You Shijun,Zhang Guangping. Application of Geo-thermal response test in the design of ground heat exchanger[J].Acta Energiae Solaris Sinica.2007,28(4):405-409.)

[2]徐伟.中国地源热泵发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社,2008,70-73.

[3]蒋能照,刘道平.水源.地源.水环热泵空调技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2007, 100-102.

[4]中国建筑科学研究院.地源热泵工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[5]姜黎,蒋绿林,王宏,等.地源热泵系统双U型埋管换热器的测试实验[J].制冷学报,2010, 31(1):50-53.(Jiang Li,Jiang Lvlin,Wang Hong, et al. Experiment on Underground Double U-tube Exchanger of Ground-source Heat Pump System [J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(1): 50-53.)