四川高縣慶符鎮片區地源熱泵熱響應試驗研究

亓燕秋

（1．中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001；2．安徽省特殊鑿井工程技術研究中心，安徽 合肥 230001）

1 引言

淺層地溫能是埋藏在淺層地下水及地下巖土中的可再生能源，目前淺層地溫能開發利用的技術成熟，具有某種程度上的可儲存性及再生性，還具有節能、環保、經濟等諸多優點。以淺層地熱能為低位熱源的地源熱泵技術，可為住宅和公建等提供冷量（熱量）進而達到制冷（供暖）的目的[1]。目前，地埋管地源熱泵系統以淺層地溫能為熱、冷源已經被國外廣泛應用。

地源熱泵熱響應試驗研究是為論證目標項目地下是否適合土壤熱泵系統設計提供參考，并為地源熱泵地下換熱系統的設計提供了確切的數值依據。地源熱泵技術能應用與否是以其熱響應試驗數據為基礎做判斷。與國外相比，我國的很多領域雖然都有使用地源熱泵中央空調系統，但使用分布分散且占比相對較少。地下水和地表水資源均較豐富的四川省，有著適宜施工的巖土體條件，淺層地溫能資源適宜以多種方式開發和利用[2]。

2 研究概況

2.1 依托項目概況

試驗測試地點位于四川省宜賓市高縣慶符鎮境內，位置在北緯28°25'25．27″，東 經104°31'37．71″左右，項目為高縣翰笙文化體育藝術中心。該項目為財政部PPP 示范項目，占地約16．67hm2，共9 個子項，總建筑面積17 萬m2，總投資10．75 億元，包含以下九個子項：①綜合公共服務中心（含公共閱覽室3000m2，展覽中心4000m2，科技服務中心5000m2，文化交流中心4000m2）；②體育文化綜合業務用房29000m2；③體育中心（1200m2綜合館、8000m2游泳中心、3500m2體育場看臺）；④體育場工程54000m2；⑤文化藝術廣場（含文化藝術廣場22158m2，演藝中心2000m2）；⑥配套基礎設施工程（涉及700m 九華大道東段、350m 文體路、1250m 濱河路及6．7萬m2景觀綠化）；⑦江心島公園前期工作（涉及文化體育藝術中心及江心島征地拆遷）；⑧安全生產救援基地3525m2；⑨高縣第二實驗小學18668．65m2。四川高縣慶符鎮暫無地源熱泵應用案例，擬在本項目的公建上應用地源熱泵技術。故先行本項目場地內的地源熱泵熱響應試驗研究。

2.2 測試原理及數據采集

根據本工程特點和場地范圍，本次勘察共布設2 個測試井，不同U 型地埋管換熱器。本次試驗研究均采用豎直地埋管換熱器，其中1 個為De25 雙U 型，1 個為De32 單U 型，工作流程見圖1。測試試驗的鉆孔采用GXY-150型工程地質鉆機回轉鉆進成孔。孔內泥漿循環采用正循環工藝。通過特殊接頭使地埋管與試驗設備構成循環系統，地埋管與試驗臺之間外露部分用大于20mm 厚度的橡塑保溫，外側覆裹防水耐磨材料，減少與外界環境的能量交換。

圖1 工作程序流程圖

本次實驗選用了單U 和雙U 數值地埋管，具體參數見表1，測試井結構示意圖見圖2。

表1 測試井數據

圖2 U型地埋管換熱器示意圖

2．2．1 測試原理

依據《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）（2009 年版），測試試驗需要監測的數據有水流量、加熱功率、溫度等。將用于測試的豎直測試孔與巖土熱響應測試儀組成閉合的循環系統，通過外部設定好的功率進行加熱，對測試孔進行水循環，連續散熱試驗，期間實時監測并記錄數據，最后計算得出巖土熱物性參數。

2．2．2 數據采集

試驗采集數據利用計算機采集并自動存儲（5 秒采集一次），可在計算機上得到隨測試時間變化的流量、溫度曲線。地埋管中循環水流量采用傳統的濕式水表測量并記錄。

在試驗前，校正與標定所用的溫度傳感器。精密的水銀溫度計作為標尺，在測試試驗的溫度區間范圍內，對測試用的溫度傳感器校正，測量誤差≤0．15℃。

3 實驗結果分析

3.1 單U地埋管換熱器測試

DN32 地埋管換熱器初始地溫測試時間檢測日23：59 開始，次日23：59 結束，共計24h。其熱響應測試從檢測日的19：14 開始，第三日的19：14 結束，共計48h。

3．1．1 初始地溫

經過分析，選取檢測日期的2：12～6：48 這一時間段的出口溫度平均值作為換熱器初始地溫，如圖3 所示，最終確定土壤溫度為21．8℃。

圖3 單U換熱器初始地溫

3．1．2 單U熱響應測試

單U 熱響應測試，平均加熱功率為2．67kW，平均流量0．699m3/h，經過匯總，測試溫度如圖4所示。通過圖4的分析，進出口平均溫度對數擬合分析，分析結果如圖4（b）所示。

圖4 單U換熱器熱響應測試及擬合

最終擬合線性曲線如公式（1）所示，其擬合的相關系數R2＝0．96，最終確定土壤導熱系數1．937W/(m·℃)。

3.2 雙U地埋管換熱測試

De25 地埋管換熱器初始地溫測試時間檢測日期的23：10 開始，次日1：10分結束，共計2h。其熱響應測試從檢測第二天的1：10 開始，檢測第四天的1：10結束，共計48h。

3．2．1 初始地溫

通過對測試數據進行分析，其初始地溫情況如圖5所示。

圖5 雙U換熱器初始地溫

對溫度曲線進行分析，確認土壤初始溫度為21．5℃。

3．2．2 熱響應測試

雙U 熱響應測試，平均加熱功率2．30kW，平均流量0．468m3/s，經過匯總，測試溫度如圖6（a）所示。通過對溫度曲線進行分析，對換熱器進出口平均溫度進行對數擬合分析，分析結果如圖6（b）所示。

圖6 雙U換熱器熱響應測試及擬合

最終擬合線性曲線如公式（2）所示，其擬合的相關系數R2＝0．94，確定土壤導熱系數2．139 W/(m·℃)。

3.3 測試結果匯總及運用

單U 管和雙U 管的測試結果見表2。

表2 恒熱流熱響應測試結果匯總

3．3．1 運行工況設計

針對高縣地區的地理位置和氣候條件，對工況進行如下設計。

一個制冷、熱期分別按照150d 和90d 計算，每天地源熱泵系統運行時間按照24h、22h、18h、15h、12h、10h、8h、6h，供熱（制冷）運行份額對應分別為1．000、0．917、0．750、0．625、0．500、0．417、0．330、0．250。

測試的豎管在制熱工況下，管中傳熱介質設計溫度分別取7．5℃、6．0℃、4．5℃；測試的豎管在制冷工況下，管中傳熱介質設計溫度分別取36．0℃、34．5℃、32．5℃。

3．3．2 工況設計結果與分析

通常地源熱泵地埋管換熱系統的傳熱介質設計平均溫度分別取32．5℃（制冷工況）和7．5℃（取熱工況），根據本項目建筑物的功能特點，地源熱泵系統運行時間平均按8～10h/d 考慮。結合實測研究結果，本項目初始地溫為21．8℃，采用DN25 雙U 型夏季排熱量建議值為48～51W/m，冬季取熱量建議值為61～65W/m；DN32 單U 型夏季排熱量建議值為46～49W/m，冬季取熱量建議值為61～65W/m。鉆孔單位延米換熱量參考值如表3所示。

表3 鉆孔單位延米換熱量參考值

考慮到該項目的初始地溫較高，可適當增加制冷工況下傳熱介質的設計平均溫度。

由計算結果和建議運行工況分析可知，同等條件之下DN25 雙U 型與DN32單U 型埋管方式的冬季取熱能力能力相當，夏季排熱能力DN25 雙U 型埋管方式比DN32單U型略低4．8%。

當然，應綜合考慮建筑住宅和公建場地、地質水文條件，結合對應地埋管換熱能力等因素，設計選擇換熱埋管型及管深等參數。

測試試驗是單孔試驗，換熱量計算還應考慮等多種因素影響，如負荷特征、運行工況及時間、回填材料、巖土性質、管型及布管方式等。

4 項目熱響應成果分析及意義

4.1 項目熱響應成果分析

在項目設計初期應對建筑項目的地下進行巖土熱響應試驗，為論證地下是否適合土壤熱泵系統設計提供參考，并為地源熱泵地下換熱系統的設計提供確切的數值依據。本項目熱響應測試研究結果表明：

①本項目地塊初始地溫高，相較于我國北方城市而言，土壤溫度平均高4～5℃；

②取熱能力高30%左右，排熱能力低15%左右，根據測試結果項目地塊完全適合地源熱泵系統；

③本項目應用地源熱泵不僅可滿足功能區空調的供能使用，也可滿足生活熱水及泳池熱水的使用要求，采用本系統綜合節能率將大于30%；

④測試數據用于設計時，應按照規范及當地情況進行適當修正，建議在布設群井時考慮預留一定的安全系數，以確保整個地源熱泵換熱系統的有效運行。

4.2 本測試研究的意義

本地源熱泵熱響應試驗研究是以高縣翰笙文化體育藝術中心工程為依托，主要測量了地源熱泵擬設計深度范圍內，地下巖土的熱物性能參數、初始溫度及所測試管型的單位延長上的換熱量等。地源熱泵系統的實際運行效果取決于參數選取得是否合理，否則會達不到制冷、供熱效果或導致投資增大。

若該項目實施結果達到預期，將為進一步推動地源熱泵技術在四川宜賓乃至整個西南地區的應用，具有重要的經濟效益和社會效益。填補了四川高縣慶符鎮片區地源熱泵熱響應測試數據的空白。推廣住宅及公建應用地源熱泵供熱和制冷，不僅能較大幅度節約能源，同時對實現“雙碳”目標具有積極的意義。