1、单 U 型地埋管热响应测试及换热特性分析重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室 徐永军 卢军摘要：介绍了岩土热响应测试的原理及方法，用自行 设计 研发的岩土热响应测试装置， 对重庆地区 3 个单 U 型地埋管进行了不同加 热量热响应测试，采用线热源理论计算了土壤导热系数。并对不同换热量下地埋管的换热特性及运行进行了分析研究，得出采用 线热 源模型，以符合地源 热泵高效运行的加热量进行热响应测试至少要进行 40h 才能计算得到稳定合理的土壤导热系数;地源热泵运行前期热量主要用于钻孔内循环水、回填材料及管壁的温升，加热量越大，温度上升越快；运行后期以 钻孔内的热量向钻孔外热容量较大的土壤传递释放
2、为主， 传热量稳定， 钻孔内温度上升减 缓；合适的换热量才有利于地源热泵的长期稳定运行。关键字：地源热泵；热响应测试；岩土导热系数；地埋管换热特性1.引言土壤导热系数是地源热泵地下换热器设计的重要参数 12，它是影响地埋管换热的关键因素。在一定负荷条件下，井孔的数量和深度很大程度上取决于土壤导热系数，当地下岩土的导热系数或导温系数发生 10%的偏差，则设计的地下埋管长度偏差为 4.5%5.8%3。埋管长度的偏差将导致钻孔总长度的变化,而钻孔的成本是很高的 4。地埋管与周围土壤的换热是一个复杂的非稳态过程，不同的换热量会影响到地源热泵的长期运行。通过现场对重庆地区 3 个单 U 型地埋管不同加热
3、量的土壤热响应测试，模拟地下换热器真实运行时的情况，测试地埋管运行过程中 U 型管进出口水温及温差的变化，可以得出不同加热量下土壤的导热系数，并对地埋管换热特性及运行进行了分析，为地源热泵的设计和运行提供参考。2.土壤热响应测试2.1 热响应测试原理热响应测试原理是对地埋管进行持续的恒热流加热，根据 U 型管进出口水温随时间的变化规律计算出土壤的综合导热系数。目前计算地热换热器与周围土壤换热较为成熟的模型有线热源模型和柱热源模型 5。本文按照规范67，采用线热源理论对试验测试结果进行分析计算，对模型化简后得出了 时刻 U 型管内循环介质平均温度与时间 的对数值呈直线变化关系，如式 1 所示。.
4、（1）mkxkTf ln（2）slq4式中 循环介质进出口平均温度 fT() ；单位延米钻孔的放热量 (W/ m)；lq土壤导热系数 W/ (mK)；s时间 (s)。根据 1 式，利用最小二乘法拟合出直线斜率k，代入 2 式就可以求出土壤综合导热系数 。s2.2 热响应测试装置根据测试原理，研发了土壤热响应试验测试装置，装置原理如图 1 所示。测试装置主要由加热水箱、循环水泵、温度传感器、流量计、压力表和数据采集仪等构成。1.循环水箱；2.电加热管；3.玻璃转子流量计；4.压力表；5 温度计；6.铂电阻温度传感器；7.铜球阀；8.循环水泵图 1.热响应测试装置原理图试验测试时，通过计算机、数据
5、采集仪和温度传感器来自动读取和记录 U 型管进出口水温，水流量则用转子流量计进行人工读取。2.3 现场热响应测试采用自行研发的岩土热响应测试装置，于2009 年 12 月对重庆地区 3 个单 U 型地埋管进行了不同加热量的热响应测试，测试时间为 48 小时。地埋管和测试参数如下：钻孔直径为 130mm，HDPE 管导热系数为0.48W/mK，外径为 25mm，内径为 20mm，回填材料导热系数为 2.25W/mK。孔 1、孔 2 和孔 3 的单位钻孔深度加热量分别为：69W/m、 45W/m、29W/m。2.3.1 岩土初始温度测试按照设计要求对钻孔进行下管、回填及灌水，再让其放置 48 小时
6、，待测试孔内岩土温度恢复至岩土初始温度后，在充满水的 PE 管中插入PT100 铂电阻温度传感器，测试沿钻孔每隔 10m的水温，然后求取各点温度平均值作为岩土的初始温度。2.3.2 岩土热响应测试将热响应装置与单 U 型埋管连接，然后启动循环水泵让水在环路中循环流动，待设备运转稳定后，自某一时刻起对水按测试参数对试验孔连续进行恒热流加热，并开始以 5 分钟为间隔记录U 型管进出水水温及测试时间，直至回路中的进水口水温稳定，即在不少于 12h 的时间内，U 型管出口水温波动小于 1，且 U 型管出口水温高于岩土初始平均温度 5 7，然后根据记录的数据计算出土壤的导热系数。3.测试结果分析3.1
7、土壤初始温度采用如上方法测试得到了 3 个孔土壤初始温度，孔 1 为 19.63，孔 2 为 19.62，孔 3 为19.42。钻孔不同深度土壤初始温度如图 2 所示。17.518.018.519.019.520.020.521.021.510 20 30 40 50 60 70 80 90 100钻 孔 深 度 （ m）土壤温度（）孔 1水 温 孔 2水 温 孔 3水 温图 2.不同深度土壤初始温度由孔 1、孔 3 地温测试数据可以看出，大地10m 以下的地温都比较稳定，温度范围是19.220.0，波动温度仅为 0.8，以深层土壤作为热泵的热源和热汇，可以获得较高的运行性能系数。而孔 2 测
8、试的地温沿岩土深度方向由17.7上升到了 21.0，说明在钻孔结束后 48 小时，钻孔内温度还未完全恢复到大地初始温度。故应该根据钻孔的深度、钻孔工艺和地质条件，在钻孔完毕后，让其放置足够长时间，待钻孔内温度恢复到土壤初始温度后再对钻孔进行初始地温测试。3.2 不同加热量的水温响应对 3 个钻孔进行不同加热量的热响应测试，其进出口水温和进出口水温差随加热时间的变化如图 3、图 4 所示。20.025.030.035.040.00 10 20 30 40 50测 试 时 间 （ h）水温（）孔 1进 水 温 度 孔 1回 水 温 度 孔 2进 水 温 度孔 2回 水 温 度 孔 3进 水 温 度
9、 孔 3回 水 温 度图 3.U 型管进出口水温随测试时间的变化3.004.005.006.007.008.000 10 20 30 40 50 60测 试 时 间 （ h）温差（）孔 1进 出 口 温 差 孔 2进 出 口 温 差 孔 3进 出 口 温 差图 4.U 型管进出口水温差随测试时间的变化由图 3、图 4 可知，在加热的前 10h 内进出口水温及温差迅速上升，10h 后进出口水温及温差上升趋势逐渐减缓。地埋管对土壤放热量越大，水温上升速度越快，稳定后水温高，水温继续升高的幅度也大，热泵运行效率越低，且系统运行稳定性也差；换热量过小，地埋管进出口水温差小，换热量也小，没有充分利用到土
10、壤的换热能力，系统投资也大。所以过大或过小的换热量都不利于地源热泵系统的长期高效运行。在地埋管传热稳定后，孔 1、孔 2 及孔 3 的传热温差分别为 7.81、5.08和 3.41，且孔 2 水温比较利于地源热泵的高效运行，说明孔 2 的 45W/m 换热量下地源热泵系统能够长期高效运行，而如果地源热泵是间歇运行的，则换热量可以选取比45W/m 大的值。3.3 地埋管传热分析根据图 3、图 4 的水温变化可以看出，U 型管与周围土壤的换热分为两个阶段：钻孔内传热不稳定阶段和钻孔外传热稳定阶段。在测试刚开始 10h 内，传热主要在钻孔内部进行，钻孔内与周围土壤传热温差较小，热量主要用于钻孔内循环
11、水、回填材料及管壁的温升。管壁和回填材料热容量较小，受热后迅速升温，导致水温也迅速上升，且加热量越大，温度上升越快。在测试 10h 之后，钻孔内与周围土壤的温差增大，钻孔内的热量向钻孔外热容量较大的土壤传递而释放，水温升高趋势减缓，钻孔内外达到一个传热稳定阶段，传热以向钻孔外传递为主。而钻孔周围土壤由于热量积累也有一个缓慢的温升，所以 U 型管进出口水温也有比较小的上升趋势，且加热量越大，温度上升越快，越不利于热泵长期高效运行。如果钻孔内材料导热系数越大，热量向钻孔外释放的能力越强，水温升就越慢，更有利于热泵长期高效运行。3.4 不同加热时间的土壤导热系数随着岩土热响应试验测试时间的增加，舍去
12、测试前面 10h 的数据，计算得到的土壤导热系数如图 5 所示。1.002.003.004.005.006.007.008.0015 20 25 30 35 40 45 50测 试 时 间 （ h）导热系数（W/mK）孔 1导 热 系 数 孔 2导 热 系 数 孔 3导 热 系 数图 5.不同加热时间的导热系数从图 5 看出，在测试进行 30h 之内，钻孔内传热处于非稳态传热，导致测试出来的导热系数不稳定。随着测试时间的增加，导热系数逐渐减小，在测试进行 40h 之后趋于稳定，所以采用线热源模型，热响应测试至少要进行 40h 才能得到稳定合理的计算结果。孔 1 及孔 2 的岩土多为砂岩，导热系
13、数较大，孔 3 的岩土多为含水量较低的黏土，导热系数较小。孔 3 由于加热量较小，达到稳定传热的时间较长， 测试得出的导热系数偏小，在孔 1 和孔 2 的加热量下，导热系数变化规律一致，得出的导热系数较为准确。最后得到孔 1、孔 2 和孔 3 的导热系数分别为2.97、2.83 和 1.67W/mK。由于热泵机组只有运行在一定的进出口水温范围内才是高效的，所以热响应测试的加热量应使水温稳定后与热泵机组运行的温度范围一致才是合理的，所以孔 2 的测试结果是比较准确合理的。4.结论（1）对重庆地区 3 个钻孔进行了热响应测试，采用线热源模型计算出导热系数为：孔 1 岩土导热系数为 2.97W/mK
14、；孔 2 岩土导热系数为 2.83W/mK；孔 3 岩土导热系数为1.67W/mK。（2）地埋管对土壤放热量越大，水温上升速度越快，稳定后水温高，水温继续升高的幅度也大，热泵运行效率越低，且系统运行稳定性也差；换热量过小，地埋管进出口水温差小，换热量也小，没有充分利用到土壤的换热能力，系统投资也大。所以过大或过小的换热量都不利于地源热泵系统的长期高效运行。45W/m 换热量下地源热泵系统能够长期高效运行，而如果地源热泵是间歇运行的，则换热量可以选取比 45W/m 大的值。（3）地埋管换热分为钻孔内传热不稳定阶段和钻孔外传热稳定阶段。钻孔内传热阶段热量主要用于钻孔内循环水、回填材料及管壁的温升，
15、加热量越大，温度上升越快；钻孔外传热阶段以钻孔内的热量向钻孔外热容量较大的土壤传递释放为主，水温上升减缓，是传热稳定阶段。钻孔内材料导热系数越大，热量向钻孔外释放的能力越强，水温升就越慢，更有利于热泵长期高效运行。（4）采用线热源模型，以符合地源热泵高效运行的加热量进行热响应测试至少要进行 40h才能计算得到稳定合理的土壤导热系数。参考文献1 马最良,吕悦. 地源热泵系统设计与应用M.北京:机械工业出版社. 2007.2 王书中,由世俊,张光平.热响应测试在土壤热交换器设计中的应用J.太阳能学报,2007,28(4):406410.3 Kavanaugh S P. Field tests fo
16、r ground thermal properties methods and impact on ground-source heat pumpsJ.ASHRAE Trans,1998,104(2):347355.4 于明志,方肇洪.现场测试地下岩土平均热物性参数方法J.热能动力工程,2002,101(17):489492.5 周亚素.土壤导热系数的现场测试方法J.东华大学学报(自然科学版),2008,34(4):482485.6 中国建筑科学研究院.GB50366-2005.地源热泵系统工程技术规范S.北京:中国建筑工业出版社,2005.7 中国建筑科学研究院.GB50366-2009.地源热泵系统工程技术规范S.北京:中国建筑工业出版社,2009.徐永军，男，1986 年 4 月生，在读硕士研究生，重庆大学城市建设与环境工程学院，邮编：400045，电话：023-65123777 ，E-mail： 。
