巖土熱響應試驗在土壤源熱泵系統設計中的應用

郝小充 余躍進 毛炳文 胡純良 張海琳

(南京師范大學 能源與機械工程學院 南京 210042)

影響地埋管地源熱泵系統性能的因素較多，包括地下水流動、回填材料性能、換熱器周圍發生鑲邊的可能性及沿管長巖土體物性的變化等，而準確確定最佳地埋管換熱器的尺寸是發展和推廣地埋管地源熱泵的關鍵，如果熱物性參數不準確，則設計的系統可能達不到負荷需要；也可能規模過大，從而加大初期投資。解決這個問題的關鍵在于獲得準確的當地巖土取、放熱特性。然而，不同地區、不同地方的土壤類型、原始地溫、日照強度等條件不盡相同，我國不同地區地質調查與土壤類型分布數據庫還不完整,簡單的依賴圖表或者單一的試驗室數據不能宏觀的概括影響土壤熱交換器傳熱性能的所有因素[1]，基礎資料的缺乏制約了土壤源熱泵技術的推廣。

目前，土壤熱物性參數測試主要有三種方法：根據前期鉆井獲取的地質資料，通過查找土壤地質方面的手冊進行測定；試驗室取樣測試法；現場測試法。由于第一種方法雖然簡便快捷但很難保證系統建設和運行的經濟性和合理性，第二種方法離開了原工程地，對實際因素造成的影響考慮不夠全面，比較可得在土壤源熱泵規劃施工場所當地進行的巖土熱響應試驗可以充分考慮到現場各因素的影響從而獲得完整和準確的設計數據。這類現場測試裝置的發展是預測土壤熱物性的發展方向，使土壤換熱器的設計更為合理，因此，為保證一個土壤源熱泵系統準確的設計，巖土熱響應試驗是必不可少的前提[2]。針對這種情況，這里結合實際工程對巖土熱物性試驗中的關鍵問題進行分析，為土壤源熱泵系統地下換熱盤管的設計及施工提供參考數據和指導。

1 工程概況

江蘇省南京市某土壤源熱泵項目位于南京市雨花臺區，建筑面積為2.26×106m2，是一個綜合性醫院，要求所有建筑具有冬季供暖，夏季供冷的功能，并可以提供生活熱水和特殊的空調環境。項目所在地區多年平均氣溫為15.73℃，1月平均氣溫2.18℃，7、8月平均氣溫28.13℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-13.1℃。巖土熱物性測試項目包括：巖土體的結構與分布，巖土熱物性與分布，巖土體平均溫度，地下水靜水位、水溫，地埋管冬、夏季每延米井深換熱量[3]。勘察概況：地埋管形式為DE25雙U型埋管2口，井深100m，管材為PE100，地埋管井回填砂礫巖采用原土混合一定比例的砂、水泥回填，在粘土層采用含10%膨潤土、90%SiO2砂子的混合物回填，地埋管換熱器垂直鉆孔直徑為130～150mm。工程項目包括：打井并及時回填和下管；測試儀器進場，連接測試儀器與鉆孔內地埋管并做好保溫工作；由注水管向試驗系統注水；啟動循環水泵開始巖土熱響應試驗；采集數據；完成測試報告。

2 巖土熱響應試驗

2.1 打井及雙U型管埋設

根據規范要求[4]，結合項目的實際情況，打如圖1所示試驗測試用井2口，實際打井深度為101m[3]。

圖1 雙U型地埋管換熱器Fig.1 Double U-tube heat exchanger

考慮到試驗孔在熱響應試驗結束后可再利用等因素，試驗孔鉆探位置選擇在地埋管區域內。雙U型管埋設結束以后應立即將管內充滿清水，并進行封口回填，一個星期左右孔內的回填材料已經充分凝固，從而保證埋管與地下土壤能夠進行充分的換熱，因此，測試宜在埋管封口后一周左右時間進行。

試驗孔和地埋管的施工與安裝數據如表1所示。

表1 試驗孔和地埋管的施工與安裝數據Tab.1 The construction and installation data of the test holes and buried pipes

2.1.1 工程地質分析

表2 1#鉆孔地質概況Tab.2 The geological situation of test hole of 1#

表3 2#鉆孔地質概況Tab.3 The geological situation of test hole of 2#

結合現場勘察及打井資料分析得出：項目所在場地地勢平坦，地層結構較簡單，土層分布連續，厚度較穩定。在100m深度范圍內，地層主要為土層和巖石層，其中土層厚約40m，巖石層厚約60m。地質分層概況如表2、3所示。

2.1.2 水文分析

工程所在地的地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水，孔隙潛水主要賦存于土層中，水量不大，其補給來源是大氣降水的垂直滲入，以地表蒸發及滲流方式排泄，水位隨季節變化。基巖裂隙水賦存于巖層中，水量較貧乏。基巖裂隙水貯存并運移于裂隙中，主要受裂隙密集度、張開度和連通性控制，其流場往往是不連續的,不能形成水量分布比較均勻的層狀含水系統。鉆孔施工期間，地下水位埋深為1.60m,水位隨季節變化，水位變幅在0.5m～1.0m左右，區域的凍土層厚度為0.3m～0.5m。

2.1.3 鉆孔難易程度與鉆孔深度分析

項目地層構成較為簡單，主要由粘土層和巖石層構成，約40m厚的土層鉆進難度小，更深處的約60m厚的巖石層隨著風化程度的變化，鉆孔難度逐漸變大，鉆孔總體施工難度一般。最終埋管深度的選擇還需綜合考慮建筑負荷、埋管可利用面積、單位埋管換熱量等因素。

2.2 土壤熱物性測試

2.2.1 試驗裝置

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 The diagram of experimental apparatus

試驗測試主要分兩部分，分別為土壤的原始溫度的測試及冬、夏季工況時地下垂直雙U型地埋管換熱器的換熱試驗測試。井內埋管通過水平連接管道連接至試驗臺。連接管道采用25mm厚的橡塑保溫材料進行保溫以減少連接管道和環境的熱交換。水泵提供動力實現水的循環，并通過閥門調節流量的大小。測試試驗裝置如圖2所示。實驗臺將測試儀器內部管道與地埋管連接構成閉式循環系統，由試驗臺配備的熱泵和電加熱器控制地埋管內換熱介質的溫度。

試驗用溫度和流量傳感器均連接于測試臺內，控制計算機與試驗臺的CFP控制模塊與數據采集模塊之間采用高速通信線路連接，實時自動采集數據。為了提高試驗的精確度，試驗中，所有溫度傳感器均采用A級PT100型鉑電阻傳感器，理論上的基本誤差為±0.1℃左右。循環水的測量采用了等級為0.5%的高精度渦輪流量傳感器。循環水泵采用變頻泵，以便于控制循環水的流量及流速。

2.2.2 原始地溫測試

土壤初始溫度測試在埋管封口一周后進行，在未開啟循環水泵的時候，由于水箱當中采用的是地表水，其溫度在17.7℃左右，試驗裝置在電加熱開啟之前，使水泵啟動循環2h左右，隨著換熱時間的變化，循環水通過地埋管與地下土壤進行充分換熱之后，觀察埋管換熱介質的進出口溫度的穩定時，開始巖土初始平均溫度測試，從圖3可以看出水泵的運行做功在初始階段對循環水溫的溫度產生很小的影響，所以將后期穩定階段循環水的平均溫度為巖土初始平均溫度[5]，試驗開始大約17分鐘后地埋管進出水溫大致穩定，此時的平均溫度可認為是項目所在地的巖土初始平均溫度，巖土初始平均溫度為17.95℃。

圖3 U型埋管換熱器的進出口水溫隨時間變化曲線Fig.3 The intake and outlet water temperature trend curve of ground U-tube

2.2.3 恒熱流模擬試驗

通過對圖2所示的試驗裝置測試土壤熱物性參數數據的分析處理，得到了垂直雙U型埋管換熱器的進出口溫度的變化曲線如圖4、5所示。

由圖4可以看出試驗地埋管內換熱介質的進出口溫度在初期上升得較快，因為在初期地下巖土體的溫度處于初始平均溫度，地埋管內循環介質與周圍巖土之間的溫差較小，向周圍巖土散熱量較小，而電加熱功率恒定，導致換熱介質的溫升較快，而隨著換熱介質與地埋管換熱器之間換熱的不斷進行，地埋管與周圍巖土體的溫差逐步穩定，此時地埋管進出口溫差保持穩定，滿足試驗要求的恒熱流條件，也說明地埋管換熱器的換熱能力是穩定的。

圖5所示可以看出2#鉆孔地埋管內換熱介質的進出口溫度的變化趨勢與1#相同，變化范圍也很相近，說明兩口測試孔的換熱能力相近，證明了此次測試數據的可靠和準確。圖5的曲線上升過程有些許的波動，但是對整體趨勢并無影響。

圖4 1#鉆孔雙U型地埋管內換熱介質進出口溫度和平均溫度圖Fig.4 The mean water temperature and inlet and outlet water temperature trend of the ground U-tube I

圖5 2#鉆孔雙U型地埋管內換熱介質進出口溫度和平均溫度圖Fig.5 The mean water temperature and inlet and outlet water temperature trend of the ground double U- tube II

3 數據處理

3.1 巖土熱物性參數的計算

平均導熱系數 λ 是綜合考慮地下換熱器埋深范圍內的其他特性因素的綜合系數。根據線熱源理論，當散熱功率不變時，埋管內換熱介質的平均溫升和時間的對數成線性關系，將二者擬合成一條曲線，得到斜率和截距，如圖6、7所示。

圖6 1#鉆孔雙U型地埋管流體平均溫升與對數時間擬合曲線Fig.6 Regression curve of mean fl uid temperature rise to logarithm time of ground double U-tube I

圖7 2#鉆孔雙U型地埋管流體平均溫升與對數時間擬合曲線Fig.7 Regression curve of mean fl uid temperature rise to logarithm time of ground double U-tube II

結合如圖6、7所示試驗數據的擬合結果圖，根據以下公式計算巖土的導熱系數[4]。

式中，Q—鉆孔每延米的換熱量，W/m；K—擬合曲線得到的斜率。

經計算，1#、2#雙U型地埋管換熱器的巖土體導熱系數分別為2.170W/(m.K)，2.166W/(m.K)，根據規范，可得項目的巖土體平均導熱系數為2.168W/(m.K)。

3.2 地埋管換熱器換熱量的計算

根據《地源熱泵系統工程技術規范》(GB50366—2009)附錄B推薦的公式及試驗得到的數據計算單個鉆孔的鉆孔熱阻，地層熱阻，脈沖熱阻，地下巖土綜合熱阻(包括鉆孔內熱阻，地層熱阻和脈沖熱阻三項，同時考慮制熱季節的制熱運行份額和制冷季節的制冷運行份額)及鉆孔在試驗條件下每延米的取放熱量，得到綜合熱物性如表4所示。

表4 巖土體綜合熱物性參數表Tab.4 The comprehensive thermophysical parameters table of rock and soil

雙U型埋管土壤源熱泵系統的地埋管換熱器換熱能力為夏季工況(35℃)每延米井深換熱量為69.6W/m，冬季工況(5℃)每延米井深的換熱量為51.2W/m。

4 總結

1)對2個鉆孔地埋管換熱器進行了試驗測試，提高了項目巖土熱響應測試結果的可靠度，兩口井的測試數據趨勢一致也說明工程所在地地質條件較均勻穩定，測試結果為項目總體管群設計提供了實際參考依據。

2)通過巖土初始溫度測試得到試驗巖土體初始平均溫度為17.95℃，與當地全年平均氣溫相當，可代表項目所在地以及周圍區域的巖土溫度狀況。該項目的巖土初始平均溫度對冬季埋管取熱與夏季排熱都較有利。

3)巖土熱物性測試結果表明工程所在區域每延米井深的的換熱量如下：夏季工況(35℃)每延米井深換熱量為69.6W/m，冬季工況(5℃)為51.2W/m，鉆孔的總熱阻為0.272(m.K)/W。

4)地下水位埋深為1.60m，水位隨季節變化，水位變幅在0.5m～1.0m左右，該區域的凍土層厚度為0.3m～0.5m，打井難度不大，經過工程地質分析及水分分析，表明工程埋管區綜合地質條件較適宜采用土壤源熱泵空調系統。

[1]王書中,由世俊,張光平.熱響應測試在土壤熱交換器設計中的應用[J].太陽能學報,2007,28(4):405-409.(Wang Shuzhong, You Shijun,Zhang Guangping. Application of Geo-thermal response test in the design of ground heat exchanger[J].Acta Energiae Solaris Sinica.2007,28(4):405-409.)

[2]徐偉.中國地源熱泵發展研究報告[M].北京:中國建筑工業出版社,2008,70-73.

[3]蔣能照,劉道平.水源.地源.水環熱泵空調技術及應用[M].北京:機械工業出版社, 2007, 100-102.

[4]中國建筑科學研究院.地源熱泵工程技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[5]姜黎,蔣綠林,王宏,等.地源熱泵系統雙U型埋管換熱器的測試實驗[J].制冷學報,2010, 31(1):50-53.(Jiang Li,Jiang Lvlin,Wang Hong, et al. Experiment on Underground Double U-tube Exchanger of Ground-source Heat Pump System [J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(1): 50-53.)