重庆市永川区某地源热泵系统热响应测试及分析

陈鹏

（广东省建筑设计研究院　广东　广州　510010）

重庆市永川区某地源热泵系统热响应测试及分析

陈鹏

（广东省建筑设计研究院广东广州510010）

2014年6月23日～25日对重庆市永川区某地源热泵系统进行地埋管热响应测试，通过对实验数据的处理分析得到该地岩土初始温度、岩土综合热物性参数（包括综合导热系数和综合体积比热容）以及单位延米试验孔换热量的参考值（双U型埋管，放热工况），从而对该地区地源热泵系统的设计提供一定的参考。

地源热泵系统；热响应测试；土壤初始温度；土壤热物性

1　试验原理

双U地埋管在恒定加热热流的工况下，通过铂电阻测得进、出口水温并采用数据采集仪自动记录，通过转子流量计测得循环水量并人工读取记录，时间间隔均为10min，测试时长为35h。得到的测试数据采用三参数估计法确定土壤导热系数、容积比热和钻孔热阻。

三参数估计法的基本思想为：通过不断调整待求参数，这里也就是土壤导热系数、容积比热和钻孔热阻。当实验记录水温与对应时刻的理论计算水温温差平方和最小时的参数，即为最优计算结果。这里将水温平方差之和作为目标函数f，表达式如下：

式中：Ti——实测i时刻的水温，℃；

Ti′——理论计算i时刻的水温，℃；

n——测试数据的组数。

钻孔外热阻的计算分别采用无限长线热源模型和无限长柱热源模型，无限长线热源模型钻孔热阻计算式为：

式中：Rground，L——线热源模型钻孔壁至无穷远处的热阻，（m·℃）/W；

q——热流密度，W/m；

tb——钻孔壁温度，℃；

t∞——无穷远土壤温度，℃；

rb——钻孔半径，m；

α——岩土热扩散率，m2/s；

τ——时间，s；

λs——岩土导热系数，W/（m·℃）。

无限长柱热源模型钻孔热阻计算式：

式中：Rground，C——柱热源模型钻孔壁无穷远的热阻，（m·℃）/W；

tr——距离钻孔中心r处的岩土温度，℃。

针对两种模型在传热方面的滞后和超前效应，实际传热热阻应介于两者之间，故实际钻孔热阻可表示为：

Rground=wRground，L+（1-w）Rground，C

式中：Rground——钻孔热阻，（m·℃）/W；

w——线热源钻孔热阻权重，取值为0～1之间。采用加权平均模型以及参数估计的方法计算岩土热物性。保证标准差最小，即：

2　试验设备

本次测试所用的设备有热响应测试仪（定加热功率型），见图1所示；铂电阻温度传感器、转子流量计以及三相钳形功率表，相应的参数列于表1。

图1　热响应测试仪现场照片

表1　测试用设备参数表

3　测试方法

3.1土壤初始温度测试

按照设计要求现场钻孔之后需让其放置7d，待测试孔内岩土温度恢复之后，在充满水的U型管中插入PT100型铂电阻温度传感器，测试土壤的初始温度。钻孔深度为100m，水温测试间距为10m，共计10个。移动传感器时，需在测点处停留约1min时间，待显示温度趋于稳定，再进行下一测点的温度测量，取各点温度的平均值作为该处岩土的初始温度。

3.2土壤的热物性测试

将双U地埋管与热响应测试仪相连接，先试运行，在单独运行水泵不加热的工况下，检查测试系统的接管处是否漏水；确保测试系统的气密性后，对外露的管段保温，开启加热器，进行热响应实验。测试仪水箱内部装有固定热阻的电加热器，测试过程中保证恒定加热热流。分别记录U型管进、出口水温，加热器功率以及转子流量计流量，时间间隔为10min。

4　数据处理及分析

4.1土壤初始温度

通过对测试数据的记录，孔1和孔2土壤初始温度测试结果见图2所示。

图2　土壤初始温度曲线

从图2可以看出孔1和孔2的测点的温度与其对深度成对数关系，都随深度的增大而升高，两孔的平均初始温度均为19.87℃。

4.2两孔热响应测试结果及分析

通过热响应测试得到不同时刻两孔的温度值，孔1和孔2和进、出口水温的测试结果见图3所示。

图3　两孔进、出口温度随时间变化的曲线

从图3可以看出，两孔的温度与时间成对数关系，均随时间的推移而升高。两孔进、出口温度的差值由加热功率的不同而引起，两孔的加热功率分别为5.9kW、4.1kW。采用三参数估计法计算得到两处岩土的热物性参数，列于表2。

表2　两孔处岩土热物性参数表

由表2可知，孔2处土壤导热系数明显大于孔1处，孔2钻孔热阻明显高于孔1钻孔热阻。主要原因在于外孔2处下水量大，流动强度高，导致土壤综合导热系数较高，同时，钻孔热阻较低。孔1单位井深换热量对应地埋管进出口水温为34.6/32.2℃，孔2单位井深换热量对应地埋管进出口水温为31.4/28.8℃。分析发现，测试孔单位井深换热量相当，但是对应的进出口水温相差较大，说明孔2所在土壤散热能力较孔1强，也间接证实了孔2地下水流动的存在。

5　结论

通过对孔1和孔2热物性的比较可知两孔散热能力的不同，这是由于两处水流动工况的差异引起的。同时，通过对双U地埋管的热响应测试，得到该处土壤的初始温度和部分热物性参数，从而对地源热泵系统的设计和运行管理提供依据，使得系统经济可靠的运行。

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TB65

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1673-0038（2015）07-0062-02

2015-1-10

陈鹏（1989-），男，助理工程师，硕士，主要从事暖通空调设计工作。