地源熱泵系統(tǒng)工程勘察熱物性測(cè)試與巖土熱物性測(cè)試儀的應(yīng)用
華中科技大學(xué)環(huán)境學(xué)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(shù)規(guī)范》（2009年版）為基本依據(jù)，介紹巖土（含回填材料）熱物性的含義，測(cè)試意義，一般測(cè)試方法，傳統(tǒng)方法與現(xiàn)場(chǎng)方法。溫度場(chǎng)的測(cè)試方法，意義。不同工況換熱孔單位孔深換熱量及其局限。測(cè)試儀一般原理，結(jié)構(gòu)，工程應(yīng)用情況。介紹分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)，結(jié)合本單位研發(fā)與測(cè)試經(jīng)歷，對(duì)部分關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，對(duì)今后熱物性測(cè)試及其測(cè)試儀研發(fā)提出意見(jiàn)與建議。

 

1.地下巖土的熱物性分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法

1.1 地下巖土的熱物性及其測(cè)試意義，地埋管地源熱泵（土壤源熱泵）設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)就是系統(tǒng)埋管或鉆孔總長(zhǎng)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(diào)效果得不到保證。埋管過(guò)多，將增大初投資。而影響埋管長(zhǎng)度的主要因素有：巖土熱物性參數(shù)、巖土初始平均溫度、回填材料性質(zhì)、埋管管材、換熱介質(zhì)流速、溫度、空調(diào)冷熱負(fù)荷規(guī)律，等。其中巖土熱物性參數(shù)是影響最大的因素。正確確定巖土熱物性參數(shù)對(duì)地源熱泵設(shè)計(jì)意義重大。

    巖土熱物性參數(shù)包括巖土導(dǎo)熱系數(shù)、巖土（體積）比熱容。熱擴(kuò)散系數(shù)可由導(dǎo)熱系數(shù)與容積比熱容確定。一般均無(wú)現(xiàn)成數(shù)據(jù)，且各地區(qū)，同一地區(qū)不同場(chǎng)地差異明顯，應(yīng)采用具體測(cè)試方法獲得。誤估導(dǎo)熱系數(shù)可能產(chǎn)生的后果 :

    國(guó)外研究統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：25%的樣本估計(jì)的導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)大，意味著需要根據(jù)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)重新調(diào)整設(shè)計(jì)；65%的樣本導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)偏小，如果采用熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)可以降低投資；只有10%估計(jì)值和測(cè)量值比較接近。總體上，45%的估計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)與測(cè)量值偏差大于±0.5 W/m/K。

 1.2 地下巖土熱物性測(cè)試方法

總體要求:

1）測(cè)試孔數(shù)量確定，國(guó)外對(duì)商用和公用建筑應(yīng)用地埋管地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)要求，應(yīng)用建筑面積小于3000m²時(shí)至少設(shè)置一個(gè)測(cè)試孔進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，規(guī)范規(guī)定：

備注：以下情況特殊處理：

成孔方案不同時(shí)，應(yīng)分別測(cè)試；埋管區(qū)域較分散，或場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件差異性大，應(yīng)分別測(cè)試。

2）巖土熱物性測(cè)試主要目的

   獲得巖土初始平均溫度，巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)、綜合比熱容。

3）測(cè)試報(bào)告內(nèi)容

1   項(xiàng)目概況；

2   測(cè)試方案；

3   參考標(biāo)準(zhǔn)；   

4   測(cè)試過(guò)程中參數(shù)的連續(xù)記錄，應(yīng)包括：循環(huán)水流量、加熱功率、地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫；

5   項(xiàng)目所在地巖土柱狀圖；

6   巖土熱物性參數(shù)；

7   測(cè)試條件下，鉆孔單位延米換熱量參考值。

4) 測(cè)試過(guò)程控制要求

電源穩(wěn)定（配穩(wěn)壓設(shè)備），測(cè)試孔施工單位須有資質(zhì)，連接管外露部分須保溫（保溫層厚度≥10mm），其它須遵守國(guó)家地方有關(guān)規(guī)范規(guī)定。

2  測(cè)試儀器

1）應(yīng)通過(guò)法定計(jì)量部門(mén)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(cè)量誤差不應(yīng)大于±1%。

2  流量的測(cè)量誤差不應(yīng)大于±1%。

3  溫度的測(cè)量誤差不應(yīng)大于±0.2℃。

(參見(jiàn)圖1，圖2，其中風(fēng)冷熱泵式可做吸熱量實(shí)驗(yàn)，規(guī)范規(guī)定巖土熱性測(cè)試可采用加熱方式進(jìn)行，關(guān)于單位延米換熱量測(cè)試詳見(jiàn)后續(xù)討論) 

3  巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法

1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件

⑴ 平整測(cè)試孔周邊場(chǎng)地，提供水電接駁點(diǎn)；

⑵ 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)提供滿足測(cè)試儀器所需的、穩(wěn)定的電源。對(duì)于輸入電壓受外界影響有波動(dòng)的，電壓波動(dòng)的偏差不應(yīng)超過(guò)5％；

⑶ 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)為測(cè)試儀器提供有效的防雨、防雷電等安全防護(hù)措施。防止測(cè)試設(shè)備受日曬雨淋的影響，造成測(cè)試元件的損壞，影響測(cè)試結(jié)果。

⑷ 測(cè)試孔，符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》要求，地埋管換熱器連接正確，無(wú)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(cè)試步驟

⑴ 制作測(cè)試孔。平整周邊土地。

⑵ 土壤初始溫度測(cè)試。（詳見(jiàn) 地源熱泵地下?lián)Q熱系統(tǒng)溫度場(chǎng)的測(cè)試分析）

⑶ 巖土熱響應(yīng)測(cè)試

a) 測(cè)試孔（槽）周邊場(chǎng)地平整，提供水電接駁點(diǎn)

b) 測(cè)試儀器與測(cè)試孔（槽）的管道連接，連接應(yīng)減少?gòu)濐^、變徑，連接管外

露部分應(yīng)保溫；

c) 測(cè)試孔完成并放置48小時(shí)以上（水泥基料為回填材料時(shí)，干燥過(guò)程會(huì)放熱，宜放置十天以上）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)計(jì)條件，進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，合理選擇試驗(yàn)鉆孔位置，盡可能排除擾動(dòng)因素，降低試驗(yàn)誤差；

d) 水平管長(zhǎng)度盡量不超過(guò)50mm，采用橡塑保溫，厚度不小于10mm；

e) 在水電等外部設(shè)備連接完畢后，應(yīng)對(duì)測(cè)試設(shè)備本身以及外部設(shè)備的連接再次進(jìn)行檢查；

f) 連接管道的隔熱保溫：從試驗(yàn)臺(tái)到地埋管的水平連接管道進(jìn)行保溫隔熱，減小環(huán)境對(duì)管內(nèi)循環(huán)水的傳熱影響。

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