地源熱泵系統(tǒng)工程勘察熱物性測試與巖土熱物性測試儀的應用
華中科技大學環(huán)境學院地源熱泵研究所  胡平放



 摘要:以《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（2009年版）為基本依據，介紹巖土（含回填材料）熱物性的含義，測試意義，一般測試方法，傳統(tǒng)方法與現場方法。溫度場的測試方法，意義。不同工況換熱孔單位孔深換熱量及其局限。測試儀一般原理，結構，工程應用情況。介紹分析國內外研究現狀與趨勢，結合本單位研發(fā)與測試經歷，對部分關鍵問題進行探討，對今后熱物性測試及其測試儀研發(fā)提出意見與建議。

 

1.地下巖土的熱物性分析與現場測定方法

1.1 地下巖土的熱物性及其測試意義，地埋管地源熱泵（土壤源熱泵）設計時的一個重要參數就是系統(tǒng)埋管或鉆孔總長度。它主要決定系統(tǒng)供冷供熱能力或容量。埋管不足，將使空調效果得不到保證。埋管過多，將增大初投資。而影響埋管長度的主要因素有：巖土熱物性參數、巖土初始平均溫度、回填材料性質、埋管管材、換熱介質流速、溫度、空調冷熱負荷規(guī)律，等。其中巖土熱物性參數是影響最大的因素。正確確定巖土熱物性參數對地源熱泵設計意義重大。

    巖土熱物性參數包括巖土導熱系數、巖土（體積）比熱容。熱擴散系數可由導熱系數與容積比熱容確定。一般均無現成數據，且各地區(qū)，同一地區(qū)不同場地差異明顯，應采用具體測試方法獲得。誤估導熱系數可能產生的后果 :

    國外研究統(tǒng)計分析發(fā)現：25%的樣本估計的導熱系數過大，意味著需要根據熱響應實驗重新調整設計；65%的樣本導熱系數估計偏小，如果采用熱響應實驗可以降低投資；只有10%估計值和測量值比較接近?？傮w上，45%的估計導熱系數與測量值偏差大于±0.5 W/m/K。

 1.2 地下巖土熱物性測試方法

總體要求:

1）測試孔數量確定，國外對商用和公用建筑應用地埋管地源熱泵系統(tǒng)的技術要求，應用建筑面積小于3000m²時至少設置一個測試孔進行巖土熱響應試驗。結合我國國情，規(guī)范規(guī)定：

備注：以下情況特殊處理：

成孔方案不同時，應分別測試；埋管區(qū)域較分散，或場區(qū)地質條件差異性大，應分別測試。

2）巖土熱物性測試主要目的

   獲得巖土初始平均溫度，巖土綜合導熱系數、綜合比熱容。

3）測試報告內容

1   項目概況；

2   測試方案；

3   參考標準；   

4   測試過程中參數的連續(xù)記錄，應包括：循環(huán)水流量、加熱功率、地埋管換熱器的進出口水溫；

5   項目所在地巖土柱狀圖；

6   巖土熱物性參數；

7   測試條件下，鉆孔單位延米換熱量參考值。

4) 測試過程控制要求

電源穩(wěn)定（配穩(wěn)壓設備），測試孔施工單位須有資質，連接管外露部分須保溫（保溫層厚度≥10mm），其它須遵守國家地方有關規(guī)范規(guī)定。

2  測試儀器

1）應通過法定計量部門檢定。有效期一年。

2）精度要求

1  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%。

2  流量的測量誤差不應大于±1%。

3  溫度的測量誤差不應大于±0.2℃。

(參見圖1，圖2，其中風冷熱泵式可做吸熱量實驗，規(guī)范規(guī)定巖土熱性測試可采用加熱方式進行，關于單位延米換熱量測試詳見后續(xù)討論) 

3  巖土熱響應實驗方法

1）現場測試條件

⑴ 平整測試孔周邊場地，提供水電接駁點；

⑵ 測試現場應提供滿足測試儀器所需的、穩(wěn)定的電源。對于輸入電壓受外界影響有波動的，電壓波動的偏差不應超過5％；

⑶ 測試現場應為測試儀器提供有效的防雨、防雷電等安全防護措施。防止測試設備受日曬雨淋的影響，造成測試元件的損壞，影響測試結果。

⑷ 測試孔，符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》要求，地埋管換熱器連接正確，無滲漏，試壓正常，地埋管中注滿符合規(guī)范要求的循環(huán)水。

2) 測試步驟

⑴ 制作測試孔。平整周邊土地。

⑵ 土壤初始溫度測試。（詳見 地源熱泵地下換熱系統(tǒng)溫度場的測試分析）

⑶ 巖土熱響應測試

a) 測試孔（槽）周邊場地平整，提供水電接駁點

b) 測試儀器與測試孔（槽）的管道連接，連接應減少彎頭、變徑，連接管外

露部分應保溫；

c) 測試孔完成并放置48小時以上（水泥基料為回填材料時，干燥過程會放熱，宜放置十天以上）。根據現場及設計條件，進行鉆孔試驗，合理選擇試驗鉆孔位置，盡可能排除擾動因素，降低試驗誤差；

d) 水平管長度盡量不超過50mm，采用橡塑保溫，厚度不小于10mm；

e) 在水電等外部設備連接完畢后，應對測試設備本身以及外部設備的連接再次進行檢查；

f) 連接管道的隔熱保溫：從試驗臺到地埋管的水平連接管道進行保溫隔熱，減小環(huán)境對管內循環(huán)水的傳熱影響。

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