地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)探討

摘 要

摘要：介紹了地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的基本原理。對某地源熱泵工程進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果的影響因素進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果受地表空氣溫度及回填材料含砂量的影響
摘要：介紹了地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的基本原理。對某地源熱泵工程進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果的影響因素進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果受地表空氣溫度及回填材料含砂量的影響較小。
關(guān)鍵詞：地源熱泵系統(tǒng)；巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)；回填材料
Discussion on Rock-soil Thermal Response Test of Ground-source Heat Pump System
DENG Juntao，ZHENG Jianguo，GAO Shuxiao
Abstract：The basic principle of rock-soil thermal response test of ground-source heat pump system is introduced.The rock-soil thermal response test of a ground-source heat pump project is performed，and the influencing factors of the test result are analyzed.The test result is less influenced by the surface air temperature and sand content of backfill material.
Key words：ground-source heat pump system；rock-soil thermal response test； backfill material
1 概述
 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以巖土體、地下水或地表水作為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C(jī)組、地埋管換熱器、建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)組成。我國自20世紀(jì)90年代開展地源熱泵技術(shù)研究以來，已經(jīng)取得了大量的研究成果[1～3]。由于地源熱泵具有能耗低、制熱性能較強(qiáng)、環(huán)保潔凈等特點(diǎn)，近年來發(fā)展勢頭迅猛。對于地源熱泵的設(shè)計，巖土熱物性參數(shù)的選取是至關(guān)重要的。若巖土熱物性參數(shù)選取不適當(dāng)，易導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)不能滿足建筑負(fù)荷要求或?qū)е孪到y(tǒng)設(shè)計趨于保守造成過大的設(shè)計余量。
   設(shè)計中采用的巖土熱物性參數(shù)，主要是根據(jù)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)(含水量、密度、孔隙比等)查閱相關(guān)設(shè)計手冊得到的經(jīng)驗(yàn)值。但是這些經(jīng)驗(yàn)值的范圍較大，取值比較保守，導(dǎo)致設(shè)計余量較大，造成工程浪費(fèi)。加之不同地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和差異性，經(jīng)驗(yàn)值可能與實(shí)際值有很大偏差。因此，GB 50366—2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》明確指出：當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積在300～5000m2時，宜進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)；當(dāng)應(yīng)用建筑面積大于等于5000m2時，應(yīng)進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。本文以某地源熱泵系統(tǒng)為例，闡述巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的基本原理，分析試驗(yàn)結(jié)果的影響因素。
    該建筑位于西安市，建筑面積為3.2×104m2，采用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行夏季制冷和冬季供暖。按照GB 50366—2009要求，該地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，且試驗(yàn)鉆孔的數(shù)量不應(yīng)小于2個。試驗(yàn)鉆孔的數(shù)量選為2個，鉆孔的內(nèi)徑均為200mm，孔深均為100m，兩孔相距150m。
    GB 50366—2009對回填材料有專門的要求：地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)特征確定回填材料，回填材料的熱導(dǎo)率不宜低于鉆孔外或溝槽外巖土體的熱導(dǎo)率。一般，砂及水泥、砂混合料的熱導(dǎo)率均比巖土的大，因此該工程分別采用砂和水泥、砂混合料對鉆孔進(jìn)行回填。1號鉆孔采用砂回填，2號鉆孔采用水泥、砂混合料(體積比為3：7)回填，地埋管為PE管。
2 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的基本原理
    巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)是通過向地下輸入恒定的熱流量，測量巖土的溫度響應(yīng)來計算測試深度內(nèi)巖土的平均熱物性參數(shù)的方法。試驗(yàn)時，在鉆孔中埋設(shè)地埋管并按設(shè)計要求回填，使地埋管內(nèi)充滿水并循環(huán)流動，自某一時刻起采用恒定功率電加熱裝置對水加熱一定時間，然后記錄地埋管進(jìn)出口水溫及其對應(yīng)的時間，從而計算鉆孔周圍巖土的熱導(dǎo)率、鉆孔熱阻。將通過傳熱模型計算得到的平均水溫與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，并利用最優(yōu)化方法使計算值與實(shí)測值的方差和達(dá)到最小，所對應(yīng)的熱導(dǎo)率即為最終結(jié)果。
    巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際為一個簡單的閉式系統(tǒng)，通過地埋管加熱土壤，并記錄相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，采用專門的數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到土壤的初始平均溫度和平均熱導(dǎo)率、平均比定壓熱容、平均熱擴(kuò)散率等熱物性參數(shù)。巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。主要由電加熱器、循環(huán)泵、流量傳感器、溫度傳感器、功率變送器、數(shù)據(jù)采集裝置等組成，集成于固定臺架上。試驗(yàn)時先啟動電加熱器、循環(huán)泵等設(shè)備，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程應(yīng)連續(xù)不間斷，持續(xù)時間不宜小于48h。
 

3 試驗(yàn)結(jié)果分析
   ① 巖土初始平均溫度
   試驗(yàn)儀器安裝完畢后在地埋管內(nèi)充滿水，足夠時間(一般48h)后，地埋管內(nèi)水與巖土的溫度達(dá)到平衡。將高精度PT100溫度傳感器置于地埋管內(nèi)，移動測量100m深度范圍內(nèi)每1m深度水的溫度，測量水溫即為不同深度巖土的溫度。1號鉆孔的水流量及加熱功率分別為2.14m3/h、2.01kW，2號鉆孔分別為2.11m3/h、1.98kW。基于上述方法，在2009年9月測量1、2號鉆孔巖土初始溫度隨鉆孔深度的變化，見圖2。由圖2可知，受地表空氣溫度影響，0～10m深度范圍內(nèi)巖土溫度變化較大，1號鉆孔巖土溫度范圍為14.7～24.0℃，2號鉆孔巖土溫度范圍為14.4～22.7℃，10m以下深度范圍內(nèi)巖土溫度基本不受地表空氣溫度的影響。總體上巖土溫度隨深度增加而增加，不同鉆孔同一深度巖土溫度變化并不明顯，溫度變化梯度基本一致，說明該區(qū)域淺層巖土溫度基本穩(wěn)定。
    根據(jù)測量結(jié)果，1、2號鉆孔100m深度內(nèi)巖土初始平均溫度分別為15.89、16.09℃，取二者的平均值，經(jīng)計算該區(qū)域巖土初始平均溫度為15.99℃。
 

    ② 其他熱物性參數(shù)
    兩個鉆孔采用同樣的測試儀器以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，地埋管與鉆孔的傳熱過程近似為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，鉆孔與巖土的傳熱過程認(rèn)為是線熱源或柱熱源在無限大介質(zhì)中的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。巖土熱物性參數(shù)計算結(jié)果見表1。
表1 巖土熱物性參數(shù)計算結(jié)果
鉆孔
1號
2號
巖土平均熱擴(kuò)散率/(m2·d-1)
0.052
0.053
巖土平均熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)
1.630
1.659
4 試驗(yàn)結(jié)果的影響因素
   ① 地表空氣溫度
   根據(jù)實(shí)測結(jié)果，1號鉆孔地表空氣溫度為34.9℃，2號鉆孔地表空氣溫度為29.0℃，相差5.9℃。但兩個鉆孔的巖土初始平均溫度僅相差0.2℃，平均熱擴(kuò)散率相差0.001m2/d，平均熱導(dǎo)率相差0.029W/(m·K)，這說明淺層巖土的溫度、熱導(dǎo) 顯。率、熱擴(kuò)散率受地表空氣溫度的影響很小。
   ② 回填材料
   由表1可知，1、2鉆孔的巖土初始平均溫度、平均熱擴(kuò)散率、平均熱導(dǎo)率的差別不大。因此對于同一區(qū)域，當(dāng)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)變化不大的情況下，試驗(yàn)結(jié)果受回填材料含砂量的影響不明顯。
5 結(jié)論
    ① 巖土的熱物性參數(shù)對地源熱泵的設(shè)計非常重要，采用現(xiàn)場試驗(yàn)獲得的熱物性參數(shù)比采用其他手段(如經(jīng)驗(yàn)值、實(shí)驗(yàn)室等)更能反映真實(shí)情況，較為可靠。
   ② 淺層巖土的平均初始溫度、平均熱擴(kuò)散率、平均熱導(dǎo)率受地表空氣溫度的影響很小。
    ③ 試驗(yàn)結(jié)果受回填材料含砂量的影響不明顯。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：鄧軍濤 鄭建國 高術(shù)孝 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院 陜西西安 710043)