地源熱泵系統巖土熱響應試驗

張玉峰

摘要：地源熱泵技術是綠色環保、節能高效的能源利用技術。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，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。結合相關規范，指出巖土熱響應試驗在地源熱泵項目中應用的問題、巖土熱響應試驗方法及關鍵參數、鉆孔內熱阻和熱擴散率的計算方法以及《規范》中地埋管換熱器設計計算與熱響應試驗間的關系進行探討。

關鍵詞：地源熱泵;巖土;熱響應試驗

巖土熱響應試驗是地埋管地源熱泵系統實施的前提，通過該試驗可獲得現場地質情況和巖土體熱物性參數，用于指導地埋管換熱系統的設計，目前該觀點正逐步被業主和設計人員接受[1]。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。

一、巖土熱響應試驗在地源熱泵項目中應用的問題

近年來巖土熱響應試驗在實際地源熱泵項目應用中仍存在一些問題，主要表現在以下幾個方面。

（一）有些熱響應測試單位技術力量不足，對熱響應測試理論和《規范》的理解不充分，測試報告中僅給出導熱系數和單位井深取放熱量，忽略了熱響應測試應得到的其他關鍵參數。甚至有設計者將恒熱流測試時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計放熱量值[2]。

（二）為獲得項目的設計地埋管換熱器數量或地埋管換熱器總長度，設計師常用單位井深取放熱量作為設計依據[3]，未正確使用巖土熱響應試驗結果，使熱響應試驗僅成為界定設計責任的依據。

（三）不同項目中，地下巖土體熱物性參數、地埋管換熱器的設計進出口溫度、系統運行時間等參數可能不同，設計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計依據，無法根據不同的項目情況選擇合理的設計參數，并計算合理的地埋管換熱器數量[4]。

（四）地源熱泵動態耦合計算理論體系不完善，僅依靠現有的一些地源熱泵動態耦合設計軟件，這類軟件的使用對設計人員的要求很高，需要同時考慮建筑的動態負荷、地源熱泵主機的動態性能、輸配系統的動態性能、地埋管換熱的動態變化。設計人員若能正確使用以上軟件進行動態耦合設計，僅應用軟件所花費的時間就會遠長于地源熱泵圖紙的設計時間。

二、巖土熱響應試驗方法及關鍵參數

（一）巖土熱響應試驗理論

巖土熱響應試驗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值解模型，其中無限長線熱源模型由于計算簡單、方便，在國內外巖土熱響應試驗中應用最為廣泛，需要強調的是它們僅限應用于地下巖土體傳熱以導熱為主的情況下[5]。

（二）巖土熱響應試驗設備

循環系統實現地埋管與測試設備內的水循環;加熱系統對地埋管內循環水進行加熱;控制系統按照測試要求控制地埋管內水的流量，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;測量系統主要測量地埋管換熱器進出口水溫、流量，用于后期熱響應試驗數據處理。

（三）巖土熱響應試驗應獲得的關鍵參數

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算中的一個重要參數，在熱響應試驗加熱之前必須獲得。初始溫度的獲取主要有兩種方法，采用在鉆孔內布置溫度傳感器或將溫度傳感器插入注滿水的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布置的溫度測點數量和間距有關，要求間隔不宜大于10m。由于地表層巖土體溫度隨氣溫波動較大，且地埋管一般埋設在地坪-1.5m以下，因此測溫點應從室外地坪-1.5m以下開始布置。

2.地下巖土體導熱系數

導熱系數一般通過線性擬合的方法獲得，根據無限長線熱源模型及測試數據中各溫度間的關系即可反推出巖土體的導熱系數。

3.鉆孔內熱阻

地埋管傳熱通常以鉆孔壁為界分為鉆孔內傳熱和鉆孔外傳熱兩部分，其中鉆孔外熱阻隨時間變化，鉆孔內熱阻由于鉆孔尺寸較小而變化較小，可近似認為是固定值。鉆孔內熱阻是否準確將直接關系到地埋管換熱器換熱性能的計算正確與否，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熱阻反映，雙U形地埋管換熱器鉆孔內傳熱面積較大，且回填料較少，其鉆孔內熱阻比單U形地埋管換熱器小。

4.巖土體其他熱物性參數

導熱系數、鉆孔內熱阻、熱擴散率和體積熱容之間的關系由熱響應試驗擬合曲線的截距反映。但僅根據無限長線熱源模型不能直接計算出以上參數，需要采用最小二乘法或參數估計法獲得。

三、鉆孔內熱阻和熱擴散率的計算方法

（一）最小二乘法

采用最小二乘法進行熱物性參數的調整計算，使得熱響應試驗和理論計算的地埋管換熱器進出水平均溫度方差和最小。此方法對數據處理能力要求較高，并且在使用該方法時需要設定相關約束條件，防止所得的鉆孔內熱阻和熱擴散率偏離實際值。

（二）參數假設法

當試驗人員無法掌握最小二乘法時可采用該方法進行計算。該方法根據現場地質條件查表估算巖土體的熱擴散率，鉆孔內熱阻可直接根據擬合曲線的截距反推獲得。

（三）最小二乘法與參數假設法的適用性分析

兩種計算方法獲得的鉆孔內熱阻有一定偏差，以地埋管進出水平均溫度的實測值和利用兩種方法分別獲得鉆孔內熱阻后所計算的進出水平均溫度的預測值之間的相對誤差為衡量指標，采用最小二乘法時相對誤差較小，為0.3%左右;采用參數假設法時相對誤差為2.1%左右。

四、地埋管換熱器設計計算與熱響應試驗間的關系

兩種鉆孔內熱阻的計算方法，第一種給出了對流換熱熱阻、管壁熱阻、回填材料熱阻三項的計算公式，三項之和為鉆孔內熱阻;第二種僅能計算單U形地埋管的鉆孔內熱阻。以上兩種計算方法僅限于在未做熱響應試驗時的設計計算，當巖土熱響應試驗進行后，應采用試驗獲得的鉆孔內熱阻作為設計依據，而不應該根據理論計算得到，其原因如下。

1.實際鉆孔的大小會與計算中采用鉆孔的大小有偏差。

2.實際PE管之間的間距與下管的工藝水平有關，并且在深度方向管間距可能有所不同，理論計算只能假設一個固定的管間距，與實際不符。

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，回填料熱物性參數無法準確獲知。

結語：

我國能源使用率偏低，能源發展存在著很多不穩定、不確定因素，大力開展節能減排的研究和應用工作是十分必要的。地源熱泵系統憑借其節能、環保、熱穩定等特點，在國內迅速發展。本文通過對地源熱泵系統巖土熱響應試驗的相關探討，希望對地源熱泵系統的設計提供一定的參考依據。

參考文獻：

[1]孫凡.地源熱泵系統巖土熱響應試驗[J].天津建設科技，2019，29（2）：60-63.

[2]葛鳳華，劉紅楷，王劍，等.嚴寒地區巖土熱響應試驗與地埋管地源熱泵系統應用[J].暖通空調，2014（11）：104-108.

[3]任耿祥，裴成玉，楊鴻鈞.巖土熱響應試驗在地埋管地源熱泵系統設計中的應用[J].港工技術，2014（3）：72-75.

[4]鄧軍濤，鄭建國，高術孝.地源熱泵系統巖土熱響應試驗探討[J].煤氣與熱力，2011，31（12）：42-44.

[5]張國柱，夏才初，馬緒光，等.寒區隧道地源熱泵型供熱系統巖土熱響應試驗[J].巖石力學與工程學報，2012，31（1）：99-105.

[6]肖聰，劉成剛，湯添鈞，等.巖土綜合導熱系數的熱響應試驗法與查表法分析[J].制冷與空調，2016，16（8）：93-96.