地源熱泵系統巖土熱響應試驗

□文/孫 凡

地源熱泵技術是綠色環保、節能高效的能源利用技術[1]。地源熱泵系統是一種利用地下淺層地熱資源，既能供熱又能制冷的環保型空調系統[2]，通過輸入少量的電能，即可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。本文對4種冷熱源方案進行了能源利用合理性評價與冷熱源形式經濟性評價，通過綜合分析各關鍵因素，最終確定項目的冷熱源方案為垂直埋管地源熱泵系統，同時，通過熱響應試驗，了解項目所在區域巖土的基本物理性質,在此基礎上,掌握巖土體的換熱能力,為地源熱泵系統設計人員結合建筑結構、負荷特點等設計系統優化方案提供基礎數據,以保障系統長期運行的高效與節能[3]。

1 工程概況

某國家級博覽類公益性建筑位于天津濱海新區東部填海造陸區域，總占地面積約15 萬m2，總建筑面積約8 萬m2，建筑高度37 m。建筑造型復雜，大空間、大跨度房間較多，在設計階段就將獲得國家三星級綠色建筑設計標識作為目標。

2 冷熱源方案比選

對4種冷熱源方案進行了能源利用合理性評價與冷熱源形式經濟性評價，分別是電冷機+燃氣熱水機組、燃氣直燃機、水源熱泵和垂直埋管地源熱泵。

電冷機+燃氣熱水機組系統的優勢是可充分利用市政資源，可靠性高，機房占地面積較小；不足是需要增加電網峰值負荷，降低電網效率。燃氣直燃機系統的優勢是供熱不受限制，減輕電網負荷，提高燃氣基礎設施的年利用率；不足是長期穩定性稍差。水源熱泵系統的優勢是國家鼓勵可再生能源利用，現場熱排放強度低，耗水量低；不足是如當地水質較差，水處理較復雜且受地質條件約束較大，施工繁瑣。垂直埋管地源熱泵系統的優勢是國家鼓勵可再生能源利用，現場熱排放強度低，耗水量低；不足是增加電網峰值負荷，降低電網效率和需要埋管面積較大。

不同的冷熱源系統，經濟效益是不同的，在設計階段應確定一個比較標準。本文采用壽命周期年平均成本指標（LCC）和系統使用能源消耗排放作為比較標準，對冬季、夏季組合冷熱源系統進行經濟性、環保性評價。在技術方案可行的基礎上，選用LCC 和能源消耗排放最低的系統。見表1和表2。

表1 不同冷熱源系統壽命周期年平均成本 元/m2

表2 不同冷熱源系統單位能耗和排放

根據前期調研，周邊區域建筑冷熱源采用可再生能源的項目運行情況：某度假酒店建筑面積3.4萬m2，采用3 臺制冷量為1 366 kW 的水源熱泵冷水機組，由于目前水源水質較差，處理工藝復雜，冬季供熱效果不理想；海鮮美食街建筑面積2萬m2，采用3臺制冷量為1 325 kW 的水源熱泵冷水機組，由于目前水源水質較差，管路淤堵，井水回灌不暢，制冷供熱效果均不理想；生態城動漫園整體區域建筑面積約20萬m2，采用地源熱泵系統，設置集中能源機房，目前運行狀況良好。綜上分析，本區域內地下水源水質情況不好，水源回灌不理想；相比之下，地源熱泵系統運行情況較為穩定，可靠性較強。

綜合分析各關鍵因素，本著綠色，節能的原則，最終確定采用垂直埋管地源熱泵系統。

3 熱響應試驗

3.1 方案

地源熱泵系統中地下埋管與周圍土壤組成了換熱器，其換熱性能受周圍巖土影響較大。不同地點的巖土熱物性不同，換熱器的換熱量也不同。為給擬建建筑地源熱泵系統的設計提供可靠的基礎數據，進行巖土熱響應試驗。巖土熱響應試驗是指利用地埋管換熱系統采用人工冷（熱）源向巖土體中連續加熱（制冷）并記錄傳熱介質的溫度變化和循環量，來測定巖土體熱傳導性能[4～5]。

共測試了3口換熱井，井深均為120 m，采用雙U型換熱器，回填材料均為中粗砂。埋管選用PE管，管外徑32 mm、壁厚3 mm、內徑26 mm。見圖1。

圖1 雙U型埋管連接

測試設備為電加熱器及溫控器、水泵、超聲波流量計及Pt1000 鉑電阻溫度傳感器等。水泵流量采用調節閥控制，測試流量保持在1.55 t/h 左右，流量誤差≤±2%，溫度誤差≤±0.2℃，符合規范要求。

3.2 測試步驟

1）熱響應試驗在埋設換熱管100 h后進行。

2）原始地溫測量：下管過程中在一口井內設置溫度測點，分別布置在-10、-30、-50、-70、-90、-110 m，取平均值作為鉆孔內巖土平均溫度。

3）測試方法：采用恒熱流法，以固定的熱流密度向地下排熱，每隔7 min測試一組數據，測試時間約為48 h。

4 試驗結果

4.1 土壤原始溫度

120 m內土壤原始平均溫度為15.3℃。見表3。

表3 土壤原始溫度

4.2 1#井試驗結果

4.2.1 巖土導熱系數

測試時間歷時48 h，設定加熱功率為6.2 kW，管內流量固定為1.57 m3/h，測試結果見圖2。

圖2 1#井地埋管換熱器進出水平均溫度隨時間變化曲線

采用恒熱流模擬試驗方法（熱響應測試）得出的試驗數據是地埋管換熱孔進出水溫度隨時間變化的一組數據，利用線源解析法可逆推得到巖土體的導熱系數。

式中：Tf(t)為隨時間變化的地埋管換熱器進出水平均溫度，℃；q為單位延米地埋管換熱孔換熱量，W/m；λ為巖土體導熱系數，W/(m·K)；a為巖土體導溫系數，m2/s；r為鉆孔半徑，m；γ為常數，取0.577 2；Rb為鉆孔內熱阻，m·K/W；T0為地層初始溫度，℃。

根據式（1）可推導出巖土體導熱系數的公式

將恒熱流模擬試驗的數據分析整理為式（2）的形式

結合式（2）和式（3），計算得出測試孔周圍巖土導熱系數為1.84 W（/m·℃）。

4.2.2 30℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.57 m3/h、供水溫度為30℃時，計算回水溫度為26.4℃，換熱量為6.7 kW。

4.2.3 35℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.57 m3/h、供水溫度為35℃時，計算回水溫度為30.1℃，換熱量為8.9 kW。

4.2.4 5℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.57 t/h、供水溫度為5℃時，計算回水溫度為7.6℃，換熱量為4.7 kW。

4.2.5 7℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.57 t/h、供水溫度為7℃時，計算回水溫度為9.1℃，換熱量為3.8 kW。

4.3 2#井測試結果

4.3.1 巖土導熱系數

測試時間歷時48 h，設定加熱功率為6.2 kW，管內流量固定為1.60 m3/h，測試結果見圖3。

圖3 地埋管換熱器進出水的平均溫度隨時間變化曲線

將恒熱流模擬試驗的數據分析整理為式（2）的形式

結合式（2）和式（4），計算得出測試孔周圍巖土導熱系數為1.83 W（/m·℃）。

4.3.2 30℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.60 m3/h、供水溫度為30℃時，計算回水溫度為26.5℃，換熱量為6.7 kW。

4.3.3 35℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.60 m3/h、供水溫度為35℃時，計算回水溫度為30.3℃，換熱量為9.0 kW。

4.3.4 5℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.60 t/h、供水溫度為5℃時，計算回水溫度為7.5℃，換熱量為4.7 kW。

4.3.5 7℃供水時換熱器換熱量在水流量為1.60 t/h、供水溫度為7℃時，計算回水溫度為9.0℃，換熱量為3.8 kW。

4.4 3#井測試結果

4.4.1 巖土導熱系數

測試時間歷時48 h，設定加熱功率為6.1 kW，管內流量固定為1.54 m3/h，測試結果見圖4。

圖4 地埋管換熱器進出水的平均溫度隨時間變化曲線

將恒熱流模擬試驗的試驗數據分析整理為式（2）的形式

結合式（2）和式（5），計算得出測試孔周圍巖土導熱系數為1.78 W（/m·℃）。

4.4.2 30℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.5 4m3/h、供水溫度為30℃時，計算回水溫度為26.3℃，換熱量為6.6 kW。

4.4.3 35℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.54 m3/h、供水溫度為3℃時，計算回水溫度為30.1℃，換熱量為8.8 kW。

4.4.4 5℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.54 t/h、供水溫度為5℃時，計算回水溫度為7.6℃，換熱量為4.6 kW。

4.4.5 7℃供水時換熱器換熱量

在水流量為1.54 t/h、供水溫度為7℃時，計算回水溫度為9.1℃，換熱量為3.7 kW。

4.5 誤差分析

4.5.1 土壤溫度測定

采用Pt1000 鉑電阻測試土壤原始溫誤差小，儀表及測量誤差約1%左右。

4.5.2 流量的測量

循環水流量的測量采用進口超聲波流量計，測量誤差在±2%范圍內。

4.5.3 連接管道的保溫隔熱

從測試設備到測試井有大約3 m 的距離，這部分連接管道采用了20 mm 壁厚的橡塑保溫材料，減少了管道的熱損失。

4.5.4 總體熱損失

通過采取各種技術措施，試驗誤差控制在±5%以下。

5 結論

經對比分析，3#井測試計算的巖土導熱系數偏小，分析原因可能是回填時采取人工方式，鉆孔內回填料沒有壓實，存在空隙，其中含有空氣，空氣導熱系數很小，加大了鉆孔的傳熱熱阻，使得熱流體不能與土壤充分換熱。1#、2#井測試計算的巖土導熱系數偏大，說明回填質量更高。在實際工程施工過程中，1#、2#井和3#井的情況都可能出現，因此本試驗的巖土熱物性參數可以取1#、2#和3#井的平均值1.82 W（/m·K）。

6 建議

由于實際運行與測試會有差異，特別是建筑物的冷熱負荷不同，地埋管的排熱和吸熱量也不相同。若吸熱量大于排熱量時，地下溫度逐漸下降，夏季換熱量會大于測試值，冬季換熱量會小于測試值；若排熱量大于吸熱量時，地下溫度會逐漸上升，冬季換熱量將大于測試值，夏季換熱量將小于測試值。下一步，建議根據項目的負荷情況，進行地埋管換熱器數量的模擬計算。