引言

   節(jié)能減排是促進社會和諧和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要措施。在發(fā)達國家中，供熱和空調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、建設部等都把利用淺層地能的地源熱泵技術列為重點推廣的建筑節(jié)能科技項目。在建筑供熱空調中采用地源熱泵技術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。

           

 

    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,遠遠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、運行及維修費用低廉、壽命長等許多優(yōu)點。設計地源熱泵系統(tǒng)的地熱換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)不準確,則設計的系統(tǒng)可能不能滿足負荷需要,也可能規(guī)模過大,從而大大增加初投資。研究結果表明,當?shù)叵聨r土的導熱系數(shù)或熱擴散率發(fā)生10%的偏差, 則設計的地下埋管總長度偏差為4.5 %～5.8 %，從而導致鉆孔總量的變化,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)鉆孔時取出的樣本確定鉆孔周圍的地質構成,再通過有關手冊確定每一層的導熱系數(shù)。然而地下地質結構構成復雜,難以得到整個孔深方向地質結構的詳細資料,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行分析,但也不能正確測得工程所需的參數(shù),因為取出的樣本一般是一些碎屑,且由于水分散失、壓力變化等原因，物理性質已與其在地下時發(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、測試內容及測試儀表精度要求

    巖土熱物性測試的內容包括測試巖土的初始溫度、進出口循環(huán)水的溫度、水流量以及試驗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。待鉆孔結束后一段時間，孔內巖土溫度恢復至初始溫度，可采用在鉆孔或水平槽內不同深度埋設鉑電阻，或向注滿水的PE管內插入鉑電阻溫度探頭的方法獲得巖土初始的溫度分布。

 

測試儀內部結構示意圖

 

        巖土熱響應試驗進行期間，每間隔一段時間，試驗儀器自動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大于±1%；流量傳感器測量誤差不應大于±1%；溫度傳感器應選擇高精度鉑電阻傳感器，誤差不應大于±0.15℃； 各個測量儀表與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收并轉化輸出的顯示數(shù)據(jù)與測量儀表記錄的數(shù)據(jù)間的偏差不應大于±1%。

    3. 測量方法及回填介紹

    地下巖土的導熱系數(shù)等不能象測量溫度、壓強等那樣直接測量,而只能根據(jù)傳熱學理論通過測量溫度、熱流等進行反向推算,即一個傳熱反問題。在將要埋設地熱換熱器的現(xiàn)場鉆孔,在鉆孔中埋設埋管并按設計要求回填。

    地源熱泵系統(tǒng)利用地下埋管構成“地熱換熱器”，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的巖土熱物性是推廣應用地源熱泵技術的關鍵之一，國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范GB50366－2005》要求在現(xiàn)場進行巖土熱物性測試?，F(xiàn)場直接測量方法是在地源熱泵工程現(xiàn)場鉆孔，并埋設地埋管，在地上安裝與地埋管聯(lián)通的裝置構成閉合回路，回路中充滿水，水被加熱并在回路中循環(huán)流動將熱量釋放給地下巖土，利用參數(shù)估計方法，當利用傳熱模型得到的隨時間變化的循環(huán)水平均溫度與實際測量得到的循環(huán)水平均溫度之間方差和最小時，對應的物性參數(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，將具有較高熱傳導性能的低滲透率物質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，用來增強埋管和周圍巖土的換熱；同時防止地面水通過鉆孔向地下滲透，以保護地下水不受地表污染物的污染，并防止各個蓄水層之間的交叉摻混?；靥畈牧系倪x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。亞特爾集團與山東建筑大學進行科研合作，對回填材料的導熱系數(shù)及其穩(wěn)定性、工作性、保水性、抗?jié)B透性、強度、熱壓變形、耐久性、經(jīng)濟性等各個方面進行了研究。

 

     回填料試樣導熱系數(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（Transient Plane Source Method, TPS）。試驗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、導熱系數(shù)以及抗折和抗壓強度等指標，從所有的實驗配比中優(yōu)選出三種推薦配比，這三種回填材料的強度都能滿足實際工程中鉆孔60-200m孔深的要求。它們具有較好的流動性、傳熱性、膨脹性及耐久性等，導熱系數(shù)可分別達2.18-2.34 W/m.K，達到了美國Brookhaven國家實驗室報道的高性能回填材料的水平，并且取得了兩項專利，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

 

    實現(xiàn)高質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械。由于地埋管地源熱泵技術在我國的推廣應用時間不長，國內還沒有地埋管鉆孔回填的專用設備。這已經(jīng)成為提高鉆孔回填質量的主要障礙。在獲得高性能的專業(yè)回填料的基礎上，為研究鉆孔回灌的工藝，亞特爾集團引進了美國ChemGrout公司的具有國際領先水平的系列砂漿泵進行消化吸收。這種新型設計可對大比率的砂子及膨潤土進行分類?？梢蕴峁┑倪B續(xù)流量可達到16gpm，壓力為500psi。通過引進和消化吸收國外先進技術，可以迅速縮小我國地源熱泵系統(tǒng)施工技術與國外先進水平的差距，更好地推廣應用地埋管地源熱泵技術。

 

引進的鉆孔回填設備

 

    回填完畢后回路中充滿水應放置至少48h以上并與測量裝置聯(lián)結，再進行巖土熱響應試驗。有關試驗數(shù)據(jù)讀取和記錄的時間間隔不應超過10分鐘，地埋管換熱器內流速不應低于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、流量等試驗數(shù)據(jù)，利用傳熱學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:

 

    (1) 鉆孔中的回填材料及周圍巖土的物性參數(shù)均勻一致(因為設計所需的參數(shù)是平均參數(shù))；

    (2) 埋管與周圍巖土的傳熱是一個二維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,沿長度方向傳熱量忽略不計(因為加熱時間只有數(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度維持不變(可以通過控制加熱功率完成) 。

 

 

 

                                                                                              計算流程圖

 

    4 工程測量實例

    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行了深層巖土層熱物性測試，測試時間：2009年4月11日～4月16日

  

    4.2．測試結果  

    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)

 

項目	測試孔	項目	測試孔
鉆孔深度（m）	100	鉆孔直徑（mm）	133
埋管形式	豎直U型	埋管材質	PE管
埋管內徑（mm）	25	埋管外徑（mm）	32
鉆孔回填材料	巖粉	地質結構	灰?guī)r為主

    4.2.2測試設備

    本工程采用FZL-C（Ⅲ）型巖土熱物性測試儀

    4.2.3測試結果

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

      （1）1#鉆孔測試結果

       初始溫度：18.3℃

       導熱系數(shù)：1.394W/m℃

       容積比熱容：1.611E6 J/m3℃

 

圖1   1# 鉆孔循環(huán)水平均溫度測試結果與計算結果對比圖

  

   （2）2＃鉆孔測試結果

   初始溫度：18.3℃

   導熱系數(shù)：2.63W/m℃

   容積比熱容：1.506E6 J/m3℃

 

圖2   2# 鉆孔循環(huán)水平均溫度測試結果與計算結果對比圖

 

 

    4.3．結果分析

    4.3.1土壤地層導熱系數(shù)綜合評述

    測試結果表明：埋管區(qū)域內測得較大的導熱系數(shù)為： 2.63W/m℃，兩個測試孔的平均導熱系數(shù)2.012W/m℃。該區(qū)域巖土層導熱系數(shù)較大，綜合換熱能力較強。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)設計要求。

    兩個測試孔的測試結果相差較大的主要原因是：地質情況不同。該區(qū)域地下巖土層構造較為復雜。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。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，其與地熱換熱器的設計參數(shù)有關。建議本區(qū)域循環(huán)液的冬季最低設計溫度采用4℃，夏季最高設計溫度采用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，對地熱換熱器的換熱效率影響越大。本測試區(qū)域深層巖土導熱系數(shù)較大，這對于對冬夏季冷熱負荷的平衡有利。

    （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。

 

    4.3.3 地熱換熱器埋設建議

 

    單位孔深換熱量是地熱換熱器設計中的重要數(shù)據(jù)，它是確定地熱換熱器容量、確定熱泵參數(shù)、選擇循環(huán)泵流量與揚程、計算地埋管數(shù)量與埋管結構等的重要依據(jù)。單位孔深換熱量取值偏大，將導致埋管量偏小、循環(huán)液進出口溫度難以達到熱泵的要求。結果導致熱泵實際的制熱、制冷量低于其額定值，使系統(tǒng)達不到設計要求。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。但熱泵機組的運行費用將會降低。

 

 

     在地源熱泵的額定運行工況下，針對該地域地質條件及深層巖土熱物性的測試情況、當?shù)氐販爻跏紲囟取庀髼l件以及建筑物負荷特性等，我們建議：

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

    （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 .結束語

 

  

     多年以前我國在地埋管熱泵技術的應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，在供熱空調中應用熱泵技術的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應不足和人民群眾消費水平較低，熱泵空調系統(tǒng)的市場需求尚未形成。改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個制約因素已不復存在，空調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上的優(yōu)勢和節(jié)能的優(yōu)點，將成為供熱和空調系統(tǒng)的最佳選擇方案之一。研究開發(fā)地源熱泵空調系統(tǒng)并使之產(chǎn)業(yè)化，可成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個新的增長點。