岩土热物性测试在地源热泵工程中的应用

   引言

   节能减排是促进社会和谐和经济可持续发展的重要措施。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30%，目前我国占到20%，根据测算，如果不采取有力措施，到2020年中国建筑能耗将是现在3倍以上。近年来，科技部、建设部等都把利用浅层地能的地源热泵技术列为重点推广的建筑节能科技项目。在建筑供热空调中采用地源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室气体CO2和其它燃烧产物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。

    1 测试的重要性

    众所周知,使用热泵可以提高能源的利用效率。由于地层深处(约10 m) 温度常年维持不变,远远高于冬季的室外温度,而又大大低于夏季室外温度,因此地源热泵的效率大大提高,还具有低噪音、占地面积少、不排放污染物、不抽取地下水、运行及维修费用低廉、寿命长等许多优点。设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的平均热物性参数。如果物性参数不准确,则设计的系统可能不能满足负荷需要,也可能规模过大,从而大大增加初投资。研究结果表明,当地下岩土的导热系数或热扩散率发生10%的偏差, 则设计的地下埋管总长度偏差为4.5 %～5.8 %，从而导致钻孔总量的变化,而钻孔的成本可能是很高的。

     确定地下岩土物性参数的传统方法是根据钻孔时取出的样本确定钻孔周围的地质构成,再通过有关手册确定每一层的导热系数。然而地下地质结构构成复杂,难以得到整个孔深方向地质结构的详细资料,即使同一种岩石成分,其平均热物性参数相差也比较大。如石灰石导热系数范围为1. 1～5.4 W/ (m ℃) ,石英沙岩为3. 1～7. 8 W/ (m ℃) ,湿泥板岩为0. 9～4. 0 W/ (m ℃) ,花岗岩为2. 1～4. 6 W/(m ℃) [5 ] 。也可以通过热探针等手段对钻孔取样进行分析,但也不能正确测得工程所需的参数,因为取出的样本一般是一些碎屑,且由于水分散失、压力变化等原因，物理性质已与其在地下时发生了较大变化,其物性参数与地下岩土物性参数并不相等,因此只有在现场直接测量才能得到较为正确的地下岩土平均热物性参数。

    2、测试内容及测试仪表精度要求

    岩土热物性测试的内容包括测试岩土的初始温度、进出口循环水的温度、水流量以及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。随着深度的变化，岩土初始温度也会有所不同。待钻孔结束后一段时间，孔内岩土温度恢复至初始温度，可采用在钻孔或水平槽内不同深度埋设铂电阻，或向注满水的PE管内插入铂电阻温度探头的方法获得岩土初始的温度分布。

测试仪内部结构示意图

        岩土热响应试验进行期间，每间隔一段时间，试验仪器自动读取并记录地埋管换热器的对于采用定加热功率的测试仪器，在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于±1%；流量传感器测量误差不应大于±1%；温度传感器应选择高精度铂电阻传感器，误差不应大于±0.15℃； 各个测量仪表与数据采集系统相连接时，数据采集系统接收并转化输出的显示数据与测量仪表记录的数据间的偏差不应大于±1%。

    3. 测量方法及回填介绍

    地下岩土的导热系数等不能象测量温度、压强等那样直接测量,而只能根据传热学理论通过测量温度、热流等进行反向推算,即一个传热反问题。在将要埋设地热换热器的现场钻孔,在钻孔中埋设埋管并按设计要求回填。

    地源热泵系统利用地下埋管构成“地热换热器”，使大地成为热泵系统的冷热源。测定地埋管换热器所在范围内的岩土热物性是推广应用地源热泵技术的关键之一，国家标准《地源热泵系统工程技术规范GB50366－2005》要求在现场进行岩土热物性测试。现场直接测量方法是在地源热泵工程现场钻孔，并埋设地埋管，在地上安装与地埋管联通的装置构成闭合回路，回路中充满水，水被加热并在回路中循环流动将热量释放给地下岩土，利用参数估计方法，当利用传热模型得到的随时间变化的循环水平均温度与实际测量得到的循环水平均温度之间方差和最小时，对应的物性参数即可视为岩土的平均热物性数值。

测试仪安装示意图

                                                        岩土热物性测试仪

    回填是地埋管换热器施工过程中的重要环节，即在钻孔完毕、下完U型管后，将具有较高热传导性能的低渗透率物质回灌至钻孔与竖直埋管的环缝中。它介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热；同时防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉掺混。回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。亚特尔集团与山东建筑大学进行科研合作，对回填材料的导热系数及其稳定性、工作性、保水性、抗渗透性、强度、热压变形、耐久性、经济性等各个方面进行了研究。

     回填料试样导热系数的测定采用Hot Disk热常数分析仪。它采用瞬态平面热源技术（Transient Plane Source Method, TPS）。试验过程中综合考虑水泥砂浆的粘聚性、泌水性、气泡的多少、稠度、膨胀率、导热系数以及抗折和抗压强度等指标，从所有的实验配比中优选出三种推荐配比，这三种回填材料的强度都能满足实际工程中钻孔60-200m孔深的要求。它们具有较好的流动性、传热性、膨胀性及耐久性等，导热系数可分别达2.18-2.34 W/m.K，达到了美国Brookhaven国家实验室报道的高性能回填材料的水平，并且取得了两项专利，专利号分别为：ZL 2006 1 0043808.3和ZL 2006 1 0043809.8。

Hot Disk热物性参数分析仪

    实现高质量的回填施工不仅要有高性能的回填材料，也要求高性能的施工机械。由于地埋管地源热泵技术在我国的推广应用时间不长，国内还没有地埋管钻孔回填的专用设备。这已经成为提高钻孔回填质量的主要障碍。在获得高性能的专业回填料的基础上，为研究钻孔回灌的工艺，亚特尔集团引进了美国ChemGrout公司的具有国际领先水平的系列砂浆泵进行消化吸收。这种新型设计可对大比率的砂子及膨润土进行分类。可以提供的连续流量可达到16gpm，压力为500psi。通过引进和消化吸收国外先进技术，可以迅速缩小我国地源热泵系统施工技术与国外先进水平的差距，更好地推广应用地埋管地源热泵技术。

引进的钻孔回填设备

    回填完毕后回路中充满水应放置至少48h以上并与测量装置联结，再进行岩土热响应试验。有关试验数据读取和记录的时间间隔不应超过10分钟，地埋管换热器内流速不应低于0.2m/s，地埋管换热器的出水温度宜高于岩土初始温度5℃以上。根据记录加热功率、水温、流量等试验数据，利用传热学理论反算钻孔周围岩土的平均热物性参数。上述传热过程基于如下假设:

    (1) 钻孔中的回填材料及周围岩土的物性参数均匀一致(因为设计所需的参数是平均参数)；

    (2) 埋管与周围岩土的传热是一个二维非稳态传热过程,沿长度方向传热量忽略不计(因为加热时间只有数天,孔径较小,一般约0. 1 m ,钻孔长度一般大于50 m)；

    (3) 埋管与周围岩土的换热强度维持不变(可以通过控制加热功率完成) 。

                                                                                              计算流程图

    4 工程测量实例

    4.1．工程概况

    该工程位于山东省，我们对拟建的地埋管场地进行了深层岩土层热物性测试，测试时间：2009年4月11日～4月16日

    4.2．测试结果  

    4.2.1钻孔基本参数 

    测试钻孔基本参数见表1.

表1 测试钻孔基本参数

    4.2.2测试设备

    本工程采用FZL-C（Ⅲ）型岩土热物性测试仪

    4.2.3测试结果

       循环水平均温度测试结果与计算结果对比图见图1~2。测试结果如下：

      （1）1#钻孔测试结果

       初始温度：18.3℃

       导热系数：1.394W/m℃

       容积比热容：1.611E6 J/m3℃

图1   1# 钻孔循环水平均温度测试结果与计算结果对比图

   （2）2＃钻孔测试结果

   初始温度：18.3℃

   导热系数：2.63W/m℃

   容积比热容：1.506E6 J/m3℃

图2   2# 钻孔循环水平均温度测试结果与计算结果对比图

    4.3．结果分析

    4.3.1土壤地层导热系数综合评述

    测试结果表明：埋管区域内测得较大的导热系数为： 2.63W/m℃，两个测试孔的平均导热系数2.012W/m℃。该区域岩土层导热系数较大，综合换热能力较强。从岩土层热物性角度分析，该区域适合使用地埋管地源热泵空调系统；岩土体温度(初始温度)较高，有利于冬季供热。能够符合常规设计要求。

    两个测试孔的测试结果相差较大的主要原因是：地质情况不同。该区域地下岩土层构造较为复杂。局部地下有溶洞或地下水。

    4.3.2影响每米孔深地埋管换热量的因素
 

    地埋管单位孔深的热交换量与多种因素有关。简述如下：
 

    （1）地埋管传热的可利用温差，即U型埋管中的水（循环液）热交换后允许达到的最低或最高温度与岩土初始温度之差，即可利用温差，其与地热换热器的设计参数有关。建议本区域循环液的冬季最低设计温度采用4℃，夏季最高设计温度采用35℃。
 

    （2） 每年从地下取热量与向地下释放热量是否一样大。二者相差越大，对地热换热器的换热效率影响越大。本测试区域深层岩土导热系数较大，这对于对冬夏季冷热负荷的平衡有利。

    （3）地埋管单位孔深的热交换量还与地下水位的高低和岩土层含水量多少等因素有关。

    4.3.3 地热换热器埋设建议

    单位孔深换热量是地热换热器设计中的重要数据，它是确定地热换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数量与埋管结构等的重要依据。单位孔深换热量取值偏大，将导致埋管量偏小、循环液进出口温度难以达到热泵的要求。结果导致热泵实际的制热、制冷量低于其额定值，使系统达不到设计要求。反之，单位孔深换热量取值偏小，埋管量将增加，工程的初投资增高。但热泵机组的运行费用将会降低。

     在地源热泵的额定运行工况下，针对该地域地质条件及深层岩土热物性的测试情况、当地地温初始温度、气象条件以及建筑物负荷特性等，我们建议：

    （1）冬季竖直双U型埋管每米孔深承担的室内热负荷按58～62W/m计，夏季竖直双U型埋管每米孔深承担的室内冷负荷按60～65W/m计；

    （2）钻孔较深、难度较大，竖直地埋管建议采用PE100双U型管道，管径宜采用De25。
 

     5 .结束语

     多年以前我国在地埋管热泵技术的应用方面大多处于理论探讨阶段，对地源热泵更缺乏系统的研究，在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低，热泵空调系统的市场需求尚未形成。改革开放以来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，空调和供热已成为普通百姓的需求，而地源热泵由于其具有技术上的优势和节能的优点，将成为供热和空调系统的最佳选择方案之一。研究开发地源热泵空调系统并使之产业化，可成为我国经济发展的一个新的增长点。