引言

   節(jié)能減排是促進(jìn)社會和諧和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。在發(fā)達(dá)國家中，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會總能耗的25-30%，目前我國占到20%，根據(jù)測算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗將是現(xiàn)在3倍以上。近年來，科技部、建設(shè)部等都把利用淺層地能的地源熱泵技術(shù)列為重點(diǎn)推廣的建筑節(jié)能科技項(xiàng)目。在建筑供熱空調(diào)中采用地源熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室氣體CO2和其它燃燒產(chǎn)物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。

    1 測試的重要性

    眾所周知,使用熱泵可以提高能源的利用效率。由于地層深處(約10 m) 溫度常年維持不變,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度,而又大大低于夏季室外溫度,因此地源熱泵的效率大大提高,還具有低噪音、占地面積少、不排放污染物、不抽取地下水、運(yùn)行及維修費(fèi)用低廉、壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器需要知道地下巖土的平均熱物性參數(shù)。如果物性參數(shù)不準(zhǔn)確,則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能不能滿足負(fù)荷需要,也可能規(guī)模過大,從而大大增加初投資。研究結(jié)果表明,當(dāng)?shù)叵聨r土的導(dǎo)熱系數(shù)或熱擴(kuò)散率發(fā)生10%的偏差, 則設(shè)計(jì)的地下埋管總長度偏差為4.5 %～5.8 %，從而導(dǎo)致鉆孔總量的變化,而鉆孔的成本可能是很高的。

     確定地下巖土物性參數(shù)的傳統(tǒng)方法是根據(jù)鉆孔時(shí)取出的樣本確定鉆孔周圍的地質(zhì)構(gòu)成,再通過有關(guān)手冊確定每一層的導(dǎo)熱系數(shù)。然而地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜,難以得到整個(gè)孔深方向地質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)資料,即使同一種巖石成分,其平均熱物性參數(shù)相差也比較大。如石灰石導(dǎo)熱系數(shù)范圍為1. 1～5.4 W/ (m ℃) ,石英沙巖為3. 1～7. 8 W/ (m ℃) ,濕泥板巖為0. 9～4. 0 W/ (m ℃) ,花崗巖為2. 1～4. 6 W/(m ℃) [5 ] 。也可以通過熱探針等手段對鉆孔取樣進(jìn)行分析,但也不能正確測得工程所需的參數(shù),因?yàn)槿〕龅臉颖疽话闶且恍┧樾?且由于水分散失、壓力變化等原因，物理性質(zhì)已與其在地下時(shí)發(fā)生了較大變化,其物性參數(shù)與地下巖土物性參數(shù)并不相等,因此只有在現(xiàn)場直接測量才能得到較為正確的地下巖土平均熱物性參數(shù)。

    2、測試內(nèi)容及測試儀表精度要求

    巖土熱物性測試的內(nèi)容包括測試巖土的初始溫度、進(jìn)出口循環(huán)水的溫度、水流量以及試驗(yàn)過程中向地埋管換熱器施加的加熱功率。隨著深度的變化，巖土初始溫度也會有所不同。待鉆孔結(jié)束后一段時(shí)間，孔內(nèi)巖土溫度恢復(fù)至初始溫度，可采用在鉆孔或水平槽內(nèi)不同深度埋設(shè)鉑電阻，或向注滿水的PE管內(nèi)插入鉑電阻溫度探頭的方法獲得巖土初始的溫度分布。

測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

        巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行期間，每間隔一段時(shí)間，試驗(yàn)儀器自動(dòng)讀取并記錄地埋管換熱器的對于采用定加熱功率的測試儀器，在輸入電壓穩(wěn)定的情況下，加熱功率的測量誤差不應(yīng)大于±1%；流量傳感器測量誤差不應(yīng)大于±1%；溫度傳感器應(yīng)選擇高精度鉑電阻傳感器，誤差不應(yīng)大于±0.15℃； 各個(gè)測量儀表與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)化輸出的顯示數(shù)據(jù)與測量儀表記錄的數(shù)據(jù)間的偏差不應(yīng)大于±1%。

    3. 測量方法及回填介紹

    地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)等不能象測量溫度、壓強(qiáng)等那樣直接測量,而只能根據(jù)傳熱學(xué)理論通過測量溫度、熱流等進(jìn)行反向推算,即一個(gè)傳熱反問題。在將要埋設(shè)地?zé)釗Q熱器的現(xiàn)場鉆孔,在鉆孔中埋設(shè)埋管并按設(shè)計(jì)要求回填。

    地源熱泵系統(tǒng)利用地下埋管構(gòu)成“地?zé)釗Q熱器”，使大地成為熱泵系統(tǒng)的冷熱源。測定地埋管換熱器所在范圍內(nèi)的巖土熱物性是推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的關(guān)鍵之一，國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366－2005》要求在現(xiàn)場進(jìn)行巖土熱物性測試?，F(xiàn)場直接測量方法是在地源熱泵工程現(xiàn)場鉆孔，并埋設(shè)地埋管，在地上安裝與地埋管聯(lián)通的裝置構(gòu)成閉合回路，回路中充滿水，水被加熱并在回路中循環(huán)流動(dòng)將熱量釋放給地下巖土，利用參數(shù)估計(jì)方法，當(dāng)利用傳熱模型得到的隨時(shí)間變化的循環(huán)水平均溫度與實(shí)際測量得到的循環(huán)水平均溫度之間方差和最小時(shí)，對應(yīng)的物性參數(shù)即可視為巖土的平均熱物性數(shù)值。

測試儀安裝示意圖

                                                        巖土熱物性測試儀

    回填是地埋管換熱器施工過程中的重要環(huán)節(jié)，即在鉆孔完畢、下完U型管后，將具有較高熱傳導(dǎo)性能的低滲透率物質(zhì)回灌至鉆孔與豎直埋管的環(huán)縫中。它介于地埋管換熱器的埋管與鉆孔壁之間，用來增強(qiáng)埋管和周圍巖土的換熱；同時(shí)防止地面水通過鉆孔向地下滲透，以保護(hù)地下水不受地表污染物的污染，并防止各個(gè)蓄水層之間的交叉摻混。回填材料的選擇以及正確的回填施工對于保證地埋管換熱器的性能有重要的意義。亞特爾集團(tuán)與山東建筑大學(xué)進(jìn)行科研合作，對回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其穩(wěn)定性、工作性、保水性、抗?jié)B透性、強(qiáng)度、熱壓變形、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等各個(gè)方面進(jìn)行了研究。

     回填料試樣導(dǎo)熱系數(shù)的測定采用Hot Disk熱常數(shù)分析儀。它采用瞬態(tài)平面熱源技術(shù)（Transient Plane Source Method, TPS）。試驗(yàn)過程中綜合考慮水泥砂漿的粘聚性、泌水性、氣泡的多少、稠度、膨脹率、導(dǎo)熱系數(shù)以及抗折和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，從所有的實(shí)驗(yàn)配比中優(yōu)選出三種推薦配比，這三種回填材料的強(qiáng)度都能滿足實(shí)際工程中鉆孔60-200m孔深的要求。它們具有較好的流動(dòng)性、傳熱性、膨脹性及耐久性等，導(dǎo)熱系數(shù)可分別達(dá)2.18-2.34 W/m.K，達(dá)到了美國Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的高性能回填材料的水平，并且取得了兩項(xiàng)專利，專利號分別為：ZL 2006 1 0043808.3和ZL 2006 1 0043809.8。

Hot Disk熱物性參數(shù)分析儀

    實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的回填施工不僅要有高性能的回填材料，也要求高性能的施工機(jī)械。由于地埋管地源熱泵技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用時(shí)間不長，國內(nèi)還沒有地埋管鉆孔回填的專用設(shè)備。這已經(jīng)成為提高鉆孔回填質(zhì)量的主要障礙。在獲得高性能的專業(yè)回填料的基礎(chǔ)上，為研究鉆孔回灌的工藝，亞特爾集團(tuán)引進(jìn)了美國ChemGrout公司的具有國際領(lǐng)先水平的系列砂漿泵進(jìn)行消化吸收。這種新型設(shè)計(jì)可對大比率的砂子及膨潤土進(jìn)行分類?？梢蕴峁┑倪B續(xù)流量可達(dá)到16gpm，壓力為500psi。通過引進(jìn)和消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，可以迅速縮小我國地源熱泵系統(tǒng)施工技術(shù)與國外先進(jìn)水平的差距，更好地推廣應(yīng)用地埋管地源熱泵技術(shù)。

引進(jìn)的鉆孔回填設(shè)備

    回填完畢后回路中充滿水應(yīng)放置至少48h以上并與測量裝置聯(lián)結(jié)，再進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取和記錄的時(shí)間間隔不應(yīng)超過10分鐘，地埋管換熱器內(nèi)流速不應(yīng)低于0.2m/s，地埋管換熱器的出水溫度宜高于巖土初始溫度5℃以上。根據(jù)記錄加熱功率、水溫、流量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用傳熱學(xué)理論反算鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)。上述傳熱過程基于如下假設(shè):

    (1) 鉆孔中的回填材料及周圍巖土的物性參數(shù)均勻一致(因?yàn)樵O(shè)計(jì)所需的參數(shù)是平均參數(shù))；

    (2) 埋管與周圍巖土的傳熱是一個(gè)二維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,沿長度方向傳熱量忽略不計(jì)(因?yàn)榧訜釙r(shí)間只有數(shù)天,孔徑較小,一般約0. 1 m ,鉆孔長度一般大于50 m)；

    (3) 埋管與周圍巖土的換熱強(qiáng)度維持不變(可以通過控制加熱功率完成) 。

                                                                                              計(jì)算流程圖

    4 工程測量實(shí)例

    4.1．工程概況

    該工程位于山東省，我們對擬建的地埋管場地進(jìn)行了深層巖土層熱物性測試，測試時(shí)間：2009年4月11日～4月16日

    4.2．測試結(jié)果  

    4.2.1鉆孔基本參數(shù) 

    測試鉆孔基本參數(shù)見表1.

表1 測試鉆孔基本參數(shù)

    4.2.2測試設(shè)備

    本工程采用FZL-C（Ⅲ）型巖土熱物性測試儀

    4.2.3測試結(jié)果

       循環(huán)水平均溫度測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比圖見圖1~2。測試結(jié)果如下：

      （1）1#鉆孔測試結(jié)果

       初始溫度：18.3℃

       導(dǎo)熱系數(shù)：1.394W/m℃

       容積比熱容：1.611E6 J/m3℃

圖1   1# 鉆孔循環(huán)水平均溫度測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比圖

   （2）2＃鉆孔測試結(jié)果

   初始溫度：18.3℃

   導(dǎo)熱系數(shù)：2.63W/m℃

   容積比熱容：1.506E6 J/m3℃

圖2   2# 鉆孔循環(huán)水平均溫度測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比圖

    4.3．結(jié)果分析

    4.3.1土壤地層導(dǎo)熱系數(shù)綜合評述

    測試結(jié)果表明：埋管區(qū)域內(nèi)測得較大的導(dǎo)熱系數(shù)為： 2.63W/m℃，兩個(gè)測試孔的平均導(dǎo)熱系數(shù)2.012W/m℃。該區(qū)域巖土層導(dǎo)熱系數(shù)較大，綜合換熱能力較強(qiáng)。從巖土層熱物性角度分析，該區(qū)域適合使用地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)；巖土體溫度(初始溫度)較高，有利于冬季供熱。能夠符合常規(guī)設(shè)計(jì)要求。

    兩個(gè)測試孔的測試結(jié)果相差較大的主要原因是：地質(zhì)情況不同。該區(qū)域地下巖土層構(gòu)造較為復(fù)雜。局部地下有溶洞或地下水。

    4.3.2影響每米孔深地埋管換熱量的因素
 

    地埋管單位孔深的熱交換量與多種因素有關(guān)。簡述如下：
 

    （1）地埋管傳熱的可利用溫差，即U型埋管中的水（循環(huán)液）熱交換后允許達(dá)到的最低或最高溫度與巖土初始溫度之差，即可利用溫差，其與地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。建議本區(qū)域循環(huán)液的冬季最低設(shè)計(jì)溫度采用4℃，夏季最高設(shè)計(jì)溫度采用35℃。
 

    （2） 每年從地下取熱量與向地下釋放熱量是否一樣大。二者相差越大，對地?zé)釗Q熱器的換熱效率影響越大。本測試區(qū)域深層巖土導(dǎo)熱系數(shù)較大，這對于對冬夏季冷熱負(fù)荷的平衡有利。

    （3）地埋管單位孔深的熱交換量還與地下水位的高低和巖土層含水量多少等因素有關(guān)。

    4.3.3 地?zé)釗Q熱器埋設(shè)建議

    單位孔深換熱量是地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)中的重要數(shù)據(jù)，它是確定地?zé)釗Q熱器容量、確定熱泵參數(shù)、選擇循環(huán)泵流量與揚(yáng)程、計(jì)算地埋管數(shù)量與埋管結(jié)構(gòu)等的重要依據(jù)。單位孔深換熱量取值偏大，將導(dǎo)致埋管量偏小、循環(huán)液進(jìn)出口溫度難以達(dá)到熱泵的要求。結(jié)果導(dǎo)致熱泵實(shí)際的制熱、制冷量低于其額定值，使系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。反之，單位孔深換熱量取值偏小，埋管量將增加，工程的初投資增高。但熱泵機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用將會降低。

     在地源熱泵的額定運(yùn)行工況下，針對該地域地質(zhì)條件及深層巖土熱物性的測試情況、當(dāng)?shù)氐販爻跏紲囟?、氣象條件以及建筑物負(fù)荷特性等，我們建議：

    （1）冬季豎直雙U型埋管每米孔深承擔(dān)的室內(nèi)熱負(fù)荷按58～62W/m計(jì)，夏季豎直雙U型埋管每米孔深承擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷按60～65W/m計(jì)；

    （2）鉆孔較深、難度較大，豎直地埋管建議采用PE100雙U型管道，管徑宜采用De25。
 

     5 .結(jié)束語

     多年以前我國在地埋管熱泵技術(shù)的應(yīng)用方面大多處于理論探討階段，對地源熱泵更缺乏系統(tǒng)的研究，在供熱空調(diào)中應(yīng)用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應(yīng)不足和人民群眾消費(fèi)水平較低，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的市場需求尚未形成。改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個(gè)制約因素已不復(fù)存在，空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求，而地源熱泵由于其具有技術(shù)上的優(yōu)勢和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，將成為供熱和空調(diào)系統(tǒng)的最佳選擇方案之一。研究開發(fā)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)并使之產(chǎn)業(yè)化，可成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)新的增長點(diǎn)。