浅谈地埋管热响应试验

罗梽宾 崔永成

摘要：地源热泵技术能耗和污染相对其它能源低、系统运行平稳。但是，由于增加了室外地埋管换热系统，再加上不适当的设计、粗糙的施工和粗放的运行管理造成了初始投资的大幅度升高，使地源热泵的优势不能完全体现，从而制约地源热泵的应用。因此必须从设计、施工及运行三方面来保证地源热泵系统的正常使用，发挥节能环保的优势。本文对地埋管热响应试验进行了系统化分析。

关键词：地埋管，热响应试验

中图分类号：C33文献标识码： A

1 地埋管热响应试验

1.1 热响应试验目的

通过测试，获得埋地换热器与周围土壤间的换热规律、每延米井深的换热量、地下岩土的热物性参数等，为地源热泵系统设计提供依据；通过对地埋管钻孔施工，掌握钻孔施工周期，为整体工期提供保障依据；通过地下温度场的变化曲线，核定换热孔的回填状况。

1.2 试验过程

1.2.1 测试准备

(1)确定试验井的数量；

(2)确定试验井的位置：根据打井区域的地形，并考虑后期的使用条件和尽可能的位置方便；

(3)保证水和380伏特稳定电源的供应；

(4)配置：搅拌机、打井设备、搅拌机、回填料、泵、测试柜、试验平台、适配器、双U型管、注水用的软管。

1.2.2试验步骤

(1)地下换热器的布置

(2)进行热响应试验

首先，将试验平台与控制柜通电，保证整个试验过程中的用电供应；其次，在地下换热器上安装适配器；然后，用已经进行了保温的绝缘橡胶管道搭接上需要进行试验的装置，应将试验设备放在避光处，提高试验数据的可靠性；之后向试验装置加入水，并维持加水压力的稳定；排气完成启动设备，开启电加热器的先决条件是系统运行平稳，此时如果各个环节没有问题便可以开启试验和记录数据了，期间需要确保系统运行的持续性和稳定性，这样得到的数据才是真实有效的。

(3)测试数据内容整理

a. 岩土平均初始温度

b. 进回水温度随加热时间的变化情况

(4)地下土壤导热系数的确定

地埋管换热器的计算常用IGSHPA线源模型，其计算表达式如1.1所示：

（1.1）

式中，——随时间变化的地埋管换热器进出水平均温度，℃；

——单位延米地埋管换热孔换热量，W/m；

——岩土体导热系数，W/m·K；

——岩土体导温系数，m2/s；

——钻孔半径，m；

——常数，0.5772；

——钻孔内热阻，m·K/W；

——地层初始温度，℃。

根据上式可得出式1.2，

（1.2）

根据线热源模型，估算导热系数的公式为：

（1.3）

将试验数据做成曲线图，并拟合出式1.2，从而可计算系数k，将k代入式1.3可计算岩土体导热系数。

(5)结论

由换热孔测试数据得出土壤岩土初始平均温度、进回水温差、换热孔岩土层的导热系数及换热孔的平均排热能力。

2 案例分析

2.1 项目概况

“某建筑研发楼”项目，位于北京顺义区，总建筑面积约70613.45㎡。其中研发中心楼16424.3㎡，7层；设计楼为11312.05㎡，7层；公寓楼为16185.34㎡，11层；试验楼为3293.28㎡，3层；焊接培训车间1580.95㎡；食堂为2458.5㎡；展厅1567.32㎡。

2.2 地埋管热响应试验

该试验模拟地源热泵空调系统夏季的供冷工况和冬季的供热工况，采用2口试验井，分别为1#和2#；打井深度为100m，测试孔径：Φ160mm，打孔工程中应对地质进行评估。按要求下管回填后，凉井10天然后进行热响应试验。

分别向测试井的地下换热器埋管充水，静置72小时后，开启循环水泵，当测到流体的温度趋于稳定，便可开始记录。测试实施过程如表2.1所示。

表2.1 测试实施过程

时间 工作 说明

3月2日 1#孔岩土初始平均温度测试 不加热测试

3月2日~4日 1#换热孔稳定热流加热测试 模拟夏季状况

3月5日 2#孔岩土初始平均温度测试 不加热测试

3月5日~7日 2#换热孔稳定热流加热测试 模拟夏季状况

2.2.1 土壤岩土初始平均温度测试

1#测试孔岩土平均原始温度测试，试验台通过水泵使水在地埋管路中循环，流量0.94m3/h。循环过程中未向地埋管提供冷、热量，直接测量得到循环液温度，该温度稳定后回水温度即为岩土初始平均温度。经测定，1#测试孔岩土平均初始温度为18.4℃。

同理的得出2#测试孔岩土平均初始温度为18.5℃。

所以，根据1#、2#试验孔初始温度温度取平均值，得到100米深的换热孔，土壤岩土初始平均温度应为（18.5+18.4）/2=18.45℃。

2.2.2 进回水温差的测试

图1 为1#测试孔进回水温度变化曲线。

图1 1#测试孔进回水温度变化曲线

2.2.3 导热系数的确定

1#测试孔根据曲线拟合结果，得出系数k=2.596，将k带入式1.3计算岩土体导热系数为1.994W/m·K，回水温度及对数拟合曲线如图2所示。

图2 1#测试孔回水温度及对数拟合曲线

2#测试孔同理根据曲线拟合结果，系数k=2.2929从而计算出岩土体导热系数为2.083W/m·K。

2.2.4 数据分析

(1)由换热孔测试数据分析，该项目地区地层100米内，土壤岩土初始平均温度应为18.45℃；

(2)测试设定加热功率，恒定流量下，测试稳定后：1#测试孔的进水温度稳定在49.6℃，回水温度稳定在45.6℃，温差4.0℃；2#测试孔的进水温度稳定在41.2℃，回水温度稳定在37.0℃，温差4.2℃；

(3)根据稳定后得到的数据利用理论计算有效传热系数：1#测试孔的地下平均导热系数λ1=1.994 W/m·K，2#测试孔的地下平均导热系数λ2=2.083W/m·K，

因此得出100米深的换热孔，岩土层的导热系数取两个测试孔的平均值，为2.0385W/m·K。

(4)测试稳定后，根据Q=C*M*△T，水的比热C，流量M、温差△T，得到： 1#测试孔(孔深100m)的地下排热能力为q=76.65W/m，2#测试孔(孔深100m)的地下排热能力为q=80.71W/m，因此，在理论条件下，得到：换热孔夏季的平均排热能力为78.68W/m。

同理测得冬季的平均换热能力为：44.07W/m

3 结论

项目的工程场地土层结构及浅层地热能资源特征决定了能否应用地源热泵系统，因此详尽可靠的勘查工作是项目顺利进行的保障。地埋管换热器设计前应先对建筑场地进行勘查，明确当地条件是否适合采用地源热泵空调系统及采用何种形式，再根据试验结果进行后续的室外地埋管换热系统设计。

参考文献

[1]郑克棪．中国地源热泵行业面临的问题及对策[J]．供热制冷，2009(3)：32-33

[2]胡平放．岩土综合热物性参数的不确定性分析 [C]．全国热泵新技术及应用研讨会，2009年

作者简介：

罗梽宾 四川建筑职业技术学院设备工程系专职教师 讲师 硕士研究生 暖通专业