地埋管地源熱泵技術由于其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢正在我國得到迅速推廣應用，而應用這一新技術的障礙之一是它的初投資較傳統(tǒng)的供熱空調系統(tǒng)偏高，其中地埋管換熱器的投資通?？烧颊麄€空調系統(tǒng)初投資的1/3~1/2，而鉆孔的成本又是地埋管換熱器總投資的主要組成部分。因此，恰當?shù)卦O計地埋管換熱器對于推廣地源熱泵技術，特別是對于大中型的項目，有著特別重要的意義。
1、熱響應試驗
地下巖土體的導熱系數(shù)是設計地源熱泵系統(tǒng)地熱換器的重要參數(shù)。然而地下地質結構構成復雜，即使同一種巖石或地質成分，其熱物性參數(shù)相差也比較大。如果物性參數(shù)不準確，則設計的埋管系統(tǒng)有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。
由于地埋管的深度可達80~150m，穿透不同的地層，在現(xiàn)有的計算模型中通常要求在該深度范圍內巖土體的平均熱物性值，所以通過現(xiàn)場試驗確定地下巖土的平均導熱系數(shù)是國際上通行的做法。這種試驗也被稱作地熱換熱器的“熱響應試驗”。美國的俄克拉荷馬州立大學（OSU）在開發(fā)應用現(xiàn)場測試巖土熱物性技術方面進行了持續(xù)不懈的努力，在1976年就已經奠定了該技術的理論基礎。在1995年首先在瑞典和美國幾乎同時把該技術應用于工程實際。具體做法是在將要埋設地熱換熱器的現(xiàn)場鉆孔，在鉆孔中埋設U型管并按設計要求回填；在回路中充滿水并與測量裝置聯(lián)結，在地下溫度場基本恢復后對循環(huán)回路以恒定的功率加熱（或冷卻），讓水在回路中循環(huán)流動，并測量回路中水的溫度隨時間的變化。
確定地下巖土的導熱系數(shù)需要求解傳熱反映問題，通常采用的數(shù)學模型是線熱源模型，或數(shù)值分析模型。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，可以采用參數(shù)估計方法計算得到鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)。現(xiàn)在世界各國大體上都采用這一方法做熱響應試驗，國際地源熱泵協(xié)會（IGSHPA）的標準和美國采暖制冷與空調工程師學會（ASHRAE）手冊都推薦這一方法。國際能源機構（IEA）起草的關于熱響應試驗的指導文件中同樣采用恒熱流方法。我國最早的有關地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場熱物性測試的報道是2000年山東建筑工程學院的項目以及后續(xù)的以于明志為主完成的工作。近年來在我國可以見到更多基于恒熱流法的測試工作的報道。
我國2005年頒布的《地源熱泵工程技術規(guī)范GB50366-2005》（以下簡稱“規(guī)范”）要求對工程場地巖土體地質條件的勘察應包括巖土體的熱物性?，F(xiàn)在國內出現(xiàn)了兩種不同的試驗方法，正在引起業(yè)內人士的討論。為對這兩種方法加以區(qū)別，可以把上面提到的方法稱作“恒熱流法”，我國最近推出的方法稱為“恒溫法”。兩種方法在試驗的目的和總體思路上是有較大的差別的。
2、恒熱流法熱響應試驗
它通常采用恒功率的電加熱，試驗中記錄循環(huán)水進出口溫度隨時間的變化，因此儀器的結構和控制相對比較簡單。在荷蘭、德國和瑞典也有少數(shù)采用熱泵作為冷熱源進行熱響應測試的報道，但保持循環(huán)水的流量和進出口溫差不變，仍然保持“恒熱流”的特點。當采用熱泵時，除了對巖土體進行加熱之外也可以進行冷卻工況下的測試。
這種方法主要可用來確定巖土層的平均導熱系數(shù)以及鉆孔內的熱阻，它并不直接提供所謂的“每米鉆孔的換熱量”的數(shù)據(jù)。得到巖土體熱物性數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)一定的傳熱模型模擬地下巖土層以及回路中循環(huán)液溫度的短期、中期（一年）和長期（多年）的變化，并相應地采用適當?shù)能浖虬丛O計規(guī)范計算得到地埋管換熱器的設計總長度。這是美國的標準和我國的《規(guī)范》要求的方法。當然根據(jù)冷熱負荷的設計最大值，最終也可以得到“每米鉆孔的換熱量”這樣一個參考指標，但這是設計完成后得到的結果，而不是設計中需要的指標。
ASHRAE和IGSHPA對地熱換熱器熱響應試驗的設備和技術提出基本相同的要求。
ASHRAE手冊中對現(xiàn)場熱物性測試的具體要求是：
1）熱物性測試的時間應為36~48h。（注：IEA的指導意見是大于48h）
2）加熱功率應為每米鉆孔50~80W，大致為實際U型管換熱器高峰負荷值。
3）加熱功率的標準差應該小于其平均值的1.5%，最大偏差應小于平均值的±10%；或由于加熱功率的變化引起的平均溫度值對于T（溫度）-log（t時間的對數(shù)）坐標上的一條直線的偏差應小于0.3K。
4）溫度測量和記錄儀器的精度應為±0.3K。
5）功率傳輸和記錄儀器的綜合精度應為讀數(shù)的±2%。
6）U型管內的流速應適當，以保證U型管進出口溫差為3.7-7K。
7）對于低導熱率（k<1.7W/(m·K)）的巖土體，建議在完成埋管和回填5天以后再開始熱物性測試；對于高導熱率（k>1.7W/(m·K)）的巖土體，則建議在完成埋管和回填3天以后開始熱物性測試。
8）地下巖土體的初始溫度在上述等待期以后測試，可以在注滿水的管中在三處不同的深度直接插入測溫元件測定并求平均值，或在循環(huán)泵剛啟動后測定U型管的出口水溫代表巖土體初始溫度。
9）數(shù)據(jù)采集的頻率不少于10分鐘一次。
10）所有地面以上的管路應采用厚度不小于13mm的閉孔隔熱材料或具有同等效果的措施進行保溫。試驗裝置應設置在由不小于25mm玻璃纖維層隔熱或具有同等隔熱效果的密閉小室中。
11）如果需要對鉆孔重新進行測試，則需要等U型管回路中的溫度回復到與初始溫度的差值不大于0.3K方可進行。如果已經進行了完整的48h測試，對于中等或高導熱率的地層，這一過程通常需要10~12天，對于低導熱率的地層，則需要14天。如果已經進行的測試時間較短，則等待的時間也可相應縮短。
3、恒溫法熱響應試驗
“恒溫法”的熱響應試驗是近年來在我國開發(fā)的，已有華清集團、河北工業(yè)大學和東南大學等單位應用的報道。該方法在試驗中保持進水溫度一定，再由測得的流量和回水溫度得到回路中的換熱量，對于測試的細節(jié)沒有見到足夠詳細的描述。采用的加熱熱源可以是電熱元件，也可以是熱泵。由于要設法保持回路的進口溫度保持不變，在熱（冷）源部分必需有控 制裝置進行調節(jié)。這種方法的主要目標是確定在“穩(wěn)定”狀態(tài)下每米鉆孔的傳熱量，雖然在理論上也可以通過建模和參數(shù)估計的方法求出巖土體的熱物性，但在見到的文獻中還沒有見到由此確定巖土體熱物性的理論模型和計算方法的報道。
國內報道的“恒溫法”的設備都設置有熱泵，因此最大特點是可以做“熱”和“冷”兩種工況的試驗，而且直觀地給出了U型管回路在試驗工況下的傳熱量。必需指出，如果把這樣的“每米鉆孔的傳熱量”的數(shù)據(jù)直接用來作為設計地埋管換熱器總長度的依據(jù)將會造成概念上的誤導，也是不符合《規(guī)范》對地埋管換熱器設計的要求的。因為很明顯，工程實際工況的影響因素要復雜得多，測試不可能模擬實際的工況。但是在對這種試驗的方法和技術條件進行必要的規(guī)范，特別是規(guī)定控制的進水溫度值和測試時間以后，這種試驗的結果可以作為反映單鉆孔地熱換熱器傳熱能力的一個指標。
對于測定巖土體熱物性的目標來說“熱”和“冷”工況的試驗是沒有本質的差別的，只有在需要考慮土壤凍融或含水層中自然對流的影響等特殊的場合，“冷”工況的試驗才有一定的意義。對于巖土體熱物性隨溫度變化的因素來說，在試驗涉及的溫度范圍內，兩者的差別遠小于試驗可達到的精度，可以忽略不計。這樣，在現(xiàn)有的試驗中只是為了測定“每米鉆孔的傳熱量”才需要區(qū)分冷、熱不同的工況。而為了測“冷”工況，一定需要采用熱泵，使設備變得復雜和龐大。“恒溫法”熱響應試驗的時間通常也是48~72h，在報道中通常稱之為工況“達到穩(wěn)定”。這樣的提法至少在理論上是不正確的。雖然回路進出口水溫的變化率已經小于0.1K/h，或已經小于測溫儀器的精度因而難以辨識，但實際上這一溫度仍在單向地緩慢變化，遠沒有達到穩(wěn)定。
理論分析表明，對于恒熱流的一維線熱源模型或圓柱面模型，系統(tǒng)永遠也不會達到穩(wěn)定；如果時間趨于無窮，溫度將會趨于無窮大。二維的有限長線熱源模型指出，在邊界溫度不隨時間變化的條件下，時間趨于無窮時系統(tǒng)的溫度將會趨于穩(wěn)定，但對于地埋管換熱器這樣的幾何尺寸來說，達到基本穩(wěn)定的時間將是數(shù)年至數(shù)十年的數(shù)量級。因此數(shù)十小時的試驗談不上“穩(wěn)定”，但是若規(guī)范一個統(tǒng)一的試驗時間，也許可以使不同場合的試驗數(shù)據(jù)有一定的相互比較的意義。此外，實際的地源熱泵系統(tǒng)的運行是熱流（負荷）主導，而不是（循環(huán)液）溫度主導的。建筑物中產生的熱量一定要通過地熱換熱器傳到巖土體中，所以在實際運行（以及合理的模擬）中都是由負荷決定回路中循環(huán)液的溫度，它隨時間有很大的波動。因此，恒定地埋管回路進水溫度的工況不是地源熱泵系統(tǒng)實際運行工況的合理模擬。
“恒溫法”熱響應試驗的方法是近來提出的新概念，其主要特點是在試驗中保持供水溫度恒定，其試驗的主要目標是獲得在冷、熱工況下單鉆孔換熱器的傳熱能力。在對這種試驗的技術要求進行必要的規(guī)范之后，這種試驗的結果可以作為反映單鉆孔地熱換熱器傳熱能力的一個指標。它存在兩種熱源，即電加熱和熱泵供熱/供冷。它們不是區(qū)分“恒熱流法”和“恒溫法”的決定因素。在以確定巖土體熱物性為目標的試驗中“，冷”工況的試驗通?？梢圆挥杩紤]。
“每米鉆孔的傳熱量”的概念有簡單直觀的特點，受到業(yè)內很多人士的喜好。但是對于大中型的地源熱泵工程，這個概念只適合用作方案設計階段粗略的估算，而不應該作為設計的方法和依據(jù)。因為地埋管換熱器的傳熱能力不僅取決于熱響應試驗所涉及的參數(shù)，而且與許多其他因素有關，其中最主要的有：冷熱負荷的特點（即是連續(xù)作用還是斷續(xù)作用）、全年冷熱負荷的平衡、地埋管換熱器中埋管的數(shù)量和布置形式、埋管的間距等，而熱響應試驗都不涉及這些因素。此外，地埋管換熱器生命周期中允許的循環(huán)液最高和最低溫度也是影響其換熱能力的重要參數(shù)，需要在設計中權衡各方面的因素決定。因此，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設計應該按照《規(guī)范》的要求，通過熱響應試驗得到巖土體導熱系數(shù)的數(shù)據(jù)，采用專業(yè)軟件或按規(guī)定的設計計算方法進行。
“恒溫法”熱響應試驗的整體思路和方法是我國開創(chuàng)的，總體上具有簡單易懂的特點，比較適合我國當前工程技術隊伍的技術狀況，但是它缺乏嚴密的理論體系?？梢栽试S在這方面從理論上繼續(xù)進行探索，回答對它提出的各種質疑，例如怎樣考慮群孔的影響和冷熱負荷不平衡的影響等，同時從一定數(shù)量的工程實踐中加以長期考察和總結。這可能是一種學術民主和實事求是的態(tài)度。
責編:Lis
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