地埋管地源熱泵技術(shù)由于其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)正在我國(guó)得到迅速推廣應(yīng)用，而應(yīng)用這一新技術(shù)的障礙之一是它的初投資較傳統(tǒng)的供熱空調(diào)系統(tǒng)偏高，其中地埋管換熱器的投資通?？烧颊麄€(gè)空調(diào)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(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)地埋管換熱器對(duì)于推廣地源熱泵技術(shù)，特別是對(duì)于大中型的項(xiàng)目，有著特別重要的意義。
1、熱響應(yīng)試驗(yàn)
地下巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q器的重要參數(shù)。然而地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜，即使同一種巖石或地質(zhì)成分，其熱物性參數(shù)相差也比較大。如果物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的埋管系統(tǒng)有可能不能滿足負(fù)荷需要；也可能規(guī)模過大，從而大大增加初投資。
由于地埋管的深度可達(dá)80~150m，穿透不同的地層，在現(xiàn)有的計(jì)算模型中通常要求在該深度范圍內(nèi)巖土體的平均熱物性值，所以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定地下巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)是國(guó)際上通行的做法。這種試驗(yàn)也被稱作地?zé)釗Q熱器的“熱響應(yīng)試驗(yàn)”。美國(guó)的俄克拉荷馬州立大學(xué)（OSU）在開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試巖土熱物性技術(shù)方面進(jìn)行了持續(xù)不懈的努力，在1976年就已經(jīng)奠定了該技術(shù)的理論基礎(chǔ)。在1995年首先在瑞典和美國(guó)幾乎同時(shí)把該技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際。具體做法是在將要埋設(shè)地?zé)釗Q熱器的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔，在鉆孔中埋設(shè)U型管并按設(shè)計(jì)要求回填；在回路中充滿水并與測(cè)量裝置聯(lián)結(jié)，在地下溫度場(chǎng)基本恢復(fù)后對(duì)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(dòng)，并測(cè)量回路中水的溫度隨時(shí)間的變化。
確定地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)需要求解傳熱反映問題，通常采用的數(shù)學(xué)模型是線熱源模型，或數(shù)值分析模型。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以采用參數(shù)估計(jì)方法計(jì)算得到鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)?，F(xiàn)在世界各國(guó)大體上都采用這一方法做熱響應(yīng)試驗(yàn)，國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPA）的標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）手冊(cè)都推薦這一方法。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）起草的關(guān)于熱響應(yīng)試驗(yàn)的指導(dǎo)文件中同樣采用恒熱流方法。我國(guó)最早的有關(guān)地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試的報(bào)道是2000年山東建筑工程學(xué)院的項(xiàng)目以及后續(xù)的以于明志為主完成的工作。近年來在我國(guó)可以見到更多基于恒熱流法的測(cè)試工作的報(bào)道。
我國(guó)2005年頒布的《地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2005》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）要求對(duì)工程場(chǎng)地巖土體地質(zhì)條件的勘察應(yīng)包括巖土體的熱物性?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了兩種不同的試驗(yàn)方法，正在引起業(yè)內(nèi)人士的討論。為對(duì)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(guó)最近推出的方法稱為“恒溫法”。兩種方法在試驗(yàn)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(yīng)試驗(yàn)
它通常采用恒功率的電加熱，試驗(yàn)中記錄循環(huán)水進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化，因此儀器的結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。在荷蘭、德國(guó)和瑞典也有少數(shù)采用熱泵作為冷熱源進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試的報(bào)道，但保持循環(huán)水的流量和進(jìn)出口溫差不變，仍然保持“恒熱流”的特點(diǎn)。當(dāng)采用熱泵時(shí)，除了對(duì)巖土體進(jìn)行加熱之外也可以進(jìn)行冷卻工況下的測(cè)試。
這種方法主要可用來確定巖土層的平均導(dǎo)熱系數(shù)以及鉆孔內(nèi)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(zhǎng)期（多年）的變化，并相應(yīng)地采用適當(dāng)?shù)能浖虬丛O(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到地埋管換熱器的設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度。這是美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)的《規(guī)范》要求的方法。當(dāng)然根據(jù)冷熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)最大值，最終也可以得到“每米鉆孔的換熱量”這樣一個(gè)參考指標(biāo)，但這是設(shè)計(jì)完成后得到的結(jié)果，而不是設(shè)計(jì)中需要的指標(biāo)。
ASHRAE和IGSHPA對(duì)地?zé)釗Q熱器熱響應(yīng)試驗(yàn)的設(shè)備和技術(shù)提出基本相同的要求。
ASHRAE手冊(cè)中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試的具體要求是：
1）熱物性測(cè)試的時(shí)間應(yīng)為36~48h。（注：IEA的指導(dǎo)意見是大于48h）
2）加熱功率應(yīng)為每米鉆孔50~80W，大致為實(shí)際U型管換熱器高峰負(fù)荷值。
3）加熱功率的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)該小于其平均值的1.5%，最大偏差應(yīng)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(duì)于T（溫度）-log（t時(shí)間的對(duì)數(shù)）坐標(biāo)上的一條直線的偏差應(yīng)小于0.3K。
4）溫度測(cè)量和記錄儀器的精度應(yīng)為±0.3K。
5）功率傳輸和記錄儀器的綜合精度應(yīng)為讀數(shù)的±2%。
6）U型管內(nèi)的流速應(yīng)適當(dāng)，以保證U型管進(jìn)出口溫差為3.7-7K。
7）對(duì)于低導(dǎo)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(cè)試；對(duì)于高導(dǎo)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(cè)試。
8）地下巖土體的初始溫度在上述等待期以后測(cè)試，可以在注滿水的管中在三處不同的深度直接插入測(cè)溫元件測(cè)定并求平均值，或在循環(huán)泵剛啟動(dòng)后測(cè)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(yīng)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(jìn)行保溫。試驗(yàn)裝置應(yīng)設(shè)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(duì)鉆孔重新進(jìn)行測(cè)試，則需要等U型管回路中的溫度回復(fù)到與初始溫度的差值不大于0.3K方可進(jìn)行。如果已經(jīng)進(jìn)行了完整的48h測(cè)試，對(duì)于中等或高導(dǎo)熱率的地層，這一過程通常需要10~12天，對(duì)于低導(dǎo)熱率的地層，則需要14天。如果已經(jīng)進(jìn)行的測(cè)試時(shí)間較短，則等待的時(shí)間也可相應(yīng)縮短。
3、恒溫法熱響應(yīng)試驗(yàn)
“恒溫法”的熱響應(yīng)試驗(yàn)是近年來在我國(guó)開發(fā)的，已有華清集團(tuán)、河北工業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)等單位應(yīng)用的報(bào)道。該方法在試驗(yàn)中保持進(jìn)水溫度一定，再由測(cè)得的流量和回水溫度得到回路中的換熱量，對(duì)于測(cè)試的細(xì)節(jié)沒有見到足夠詳細(xì)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(shè)法保持回路的進(jìn)口溫度保持不變，在熱（冷）源部分必需有控 制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法的主要目標(biāo)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(jì)的方法求出巖土體的熱物性，但在見到的文獻(xiàn)中還沒有見到由此確定巖土體熱物性的理論模型和計(jì)算方法的報(bào)道。
國(guó)內(nèi)報(bào)道的“恒溫法”的設(shè)備都設(shè)置有熱泵，因此最大特點(diǎn)是可以做“熱”和“冷”兩種工況的試驗(yàn)，而且直觀地給出了U型管回路在試驗(yàn)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(shè)計(jì)地埋管換熱器總長(zhǎng)度的依據(jù)將會(huì)造成概念上的誤導(dǎo)，也是不符合《規(guī)范》對(duì)地埋管換熱器設(shè)計(jì)的要求的。因?yàn)楹苊黠@，工程實(shí)際工況的影響因素要復(fù)雜得多，測(cè)試不可能模擬實(shí)際的工況。但是在對(duì)這種試驗(yàn)的方法和技術(shù)條件進(jìn)行必要的規(guī)范，特別是規(guī)定控制的進(jìn)水溫度值和測(cè)試時(shí)間以后，這種試驗(yàn)的結(jié)果可以作為反映單鉆孔地?zé)釗Q熱器傳熱能力的一個(gè)指標(biāo)。
對(duì)于測(cè)定巖土體熱物性的目標(biāo)來說“熱”和“冷”工況的試驗(yàn)是沒有本質(zhì)的差別的，只有在需要考慮土壤凍融或含水層中自然對(duì)流的影響等特殊的場(chǎng)合，“冷”工況的試驗(yàn)才有一定的意義。對(duì)于巖土體熱物性隨溫度變化的因素來說，在試驗(yàn)涉及的溫度范圍內(nèi)，兩者的差別遠(yuǎn)小于試驗(yàn)可達(dá)到的精度，可以忽略不計(jì)。這樣，在現(xiàn)有的試驗(yàn)中只是為了測(cè)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(cè)“冷”工況，一定需要采用熱泵，使設(shè)備變得復(fù)雜和龐大。“恒溫法”熱響應(yīng)試驗(yàn)的時(shí)間通常也是48~72h，在報(bào)道中通常稱之為工況“達(dá)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(jìn)出口水溫的變化率已經(jīng)小于0.1K/h，或已經(jīng)小于測(cè)溫儀器的精度因而難以辨識(shí)，但實(shí)際上這一溫度仍在單向地緩慢變化，遠(yuǎn)沒有達(dá)到穩(wěn)定。
理論分析表明，對(duì)于恒熱流的一維線熱源模型或圓柱面模型，系統(tǒng)永遠(yuǎn)也不會(huì)達(dá)到穩(wěn)定；如果時(shí)間趨于無窮，溫度將會(huì)趨于無窮大。二維的有限長(zhǎng)線熱源模型指出，在邊界溫度不隨時(shí)間變化的條件下，時(shí)間趨于無窮時(shí)系統(tǒng)的溫度將會(huì)趨于穩(wěn)定，但對(duì)于地埋管換熱器這樣的幾何尺寸來說，達(dá)到基本穩(wěn)定的時(shí)間將是數(shù)年至數(shù)十年的數(shù)量級(jí)。因此數(shù)十小時(shí)的試驗(yàn)談不上“穩(wěn)定”，但是若規(guī)范一個(gè)統(tǒng)一的試驗(yàn)時(shí)間，也許可以使不同場(chǎng)合的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的相互比較的意義。此外，實(shí)際的地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行是熱流（負(fù)荷）主導(dǎo)，而不是（循環(huán)液）溫度主導(dǎo)的。建筑物中產(chǎn)生的熱量一定要通過地?zé)釗Q熱器傳到巖土體中，所以在實(shí)際運(yùn)行（以及合理的模擬）中都是由負(fù)荷決定回路中循環(huán)液的溫度，它隨時(shí)間有很大的波動(dòng)。因此，恒定地埋管回路進(jìn)水溫度的工況不是地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況的合理模擬。
“恒溫法”熱響應(yīng)試驗(yàn)的方法是近來提出的新概念，其主要特點(diǎn)是在試驗(yàn)中保持供水溫度恒定，其試驗(yàn)的主要目標(biāo)是獲得在冷、熱工況下單鉆孔換熱器的傳熱能力。在對(duì)這種試驗(yàn)的技術(shù)要求進(jìn)行必要的規(guī)范之后，這種試驗(yàn)的結(jié)果可以作為反映單鉆孔地?zé)釗Q熱器傳熱能力的一個(gè)指標(biāo)。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(biāo)的試驗(yàn)中“，冷”工況的試驗(yàn)通?？梢圆挥杩紤]。
“每米鉆孔的傳熱量”的概念有簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)很多人士的喜好。但是對(duì)于大中型的地源熱泵工程，這個(gè)概念只適合用作方案設(shè)計(jì)階段粗略的估算，而不應(yīng)該作為設(shè)計(jì)的方法和依據(jù)。因?yàn)榈芈窆軗Q熱器的傳熱能力不僅取決于熱響應(yīng)試驗(yàn)所涉及的參數(shù)，而且與許多其他因素有關(guān)，其中最主要的有：冷熱負(fù)荷的特點(diǎn)（即是連續(xù)作用還是斷續(xù)作用）、全年冷熱負(fù)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(yīng)試驗(yàn)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(shè)計(jì)中權(quán)衡各方面的因素決定。因此，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該按照《規(guī)范》的要求，通過熱響應(yīng)試驗(yàn)得到巖土體導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)，采用專業(yè)軟件或按規(guī)定的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行。
“恒溫法”熱響應(yīng)試驗(yàn)的整體思路和方法是我國(guó)開創(chuàng)的，總體上具有簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn)，比較適合我國(guó)當(dāng)前工程技術(shù)隊(duì)伍的技術(shù)狀況，但是它缺乏嚴(yán)密的理論體系?？梢栽试S在這方面從理論上繼續(xù)進(jìn)行探索，回答對(duì)它提出的各種質(zhì)疑，例如怎樣考慮群孔的影響和冷熱負(fù)荷不平衡的影響等，同時(shí)從一定數(shù)量的工程實(shí)踐中加以長(zhǎng)期考察和總結(jié)。這可能是一種學(xué)術(shù)民主和實(shí)事求是的態(tài)度。
責(zé)編:Lis
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