地源热泵系统勘察热物性测试与岩土热物性测试应用

地源热泵系统工程勘察热物性测试与岩土热物性测试仪的应用
华中科技大学环境学院地源热泵研究所  胡平放



 摘要:以《地源热泵系统工程技术规范》（2009年版）为基本依据，介绍岩土（含回填材料）热物性的含义，测试意义，一般测试方法，传统方法与现场方法。温度场的测试方法，意义。不同工况换热孔单位孔深换热量及其局限。测试仪一般原理，结构，工程应用情况。介绍分析国内外研究现状与趋势，结合本单位研发与测试经历，对部分关键问题进行探讨，对今后热物性测试及其测试仪研发提出意见与建议。

 

1.地下岩土的热物性分析与现场测定方法

1.1 地下岩土的热物性及其测试意义，地埋管地源热泵（土壤源热泵）设计时的一个重要参数就是系统埋管或钻孔总长度。它主要决定系统供冷供热能力或容量。埋管不足，将使空调效果得不到保证。埋管过多，将增大初投资。而影响埋管长度的主要因素有：岩土热物性参数、岩土初始平均温度、回填材料性质、埋管管材、换热介质流速、温度、空调冷热负荷规律，等。其中岩土热物性参数是影响最大的因素。正确确定岩土热物性参数对地源热泵设计意义重大。

    岩土热物性参数包括岩土导热系数、岩土（体积）比热容。热扩散系数可由导热系数与容积比热容确定。一般均无现成数据，且各地区，同一地区不同场地差异明显，应采用具体测试方法获得。误估导热系数可能产生的后果 :

    国外研究统计分析发现：25%的样本估计的导热系数过大，意味着需要根据热响应实验重新调整设计；65%的样本导热系数估计偏小，如果采用热响应实验可以降低投资；只有10%估计值和测量值比较接近。总体上，45%的估计导热系数与测量值偏差大于±0.5 W/m/K。

 1.2 地下岩土热物性测试方法

总体要求:

1）测试孔数量确定，国外对商用和公用建筑应用地埋管地源热泵系统的技术要求，应用建筑面积小于3000m²时至少设置一个测试孔进行岩土热响应试验。结合我国国情，规范规定：

备注：以下情况特殊处理：

成孔方案不同时，应分别测试；埋管区域较分散，或场区地质条件差异性大，应分别测试。

2）岩土热物性测试主要目的

   获得岩土初始平均温度，岩土综合导热系数、综合比热容。

3）测试报告内容

1   项目概况；

2   测试方案；

3   参考标准；   

4   测试过程中参数的连续记录，应包括：循环水流量、加热功率、地埋管换热器的进出口水温；

5   项目所在地岩土柱状图；

6   岩土热物性参数；

7   测试条件下，钻孔单位延米换热量参考值。

4) 测试过程控制要求

电源稳定（配稳压设备），测试孔施工单位须有资质，连接管外露部分须保温（保温层厚度≥10mm），其它须遵守国家地方有关规范规定。

2  测试仪器

1）应通过法定计量部门检定。有效期一年。

2）精度要求

1  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%。

2  流量的测量误差不应大于±1%。

3  温度的测量误差不应大于±0.2℃。

(参见图1，图2，其中风冷热泵式可做吸热量实验，规范规定岩土热性测试可采用加热方式进行，关于单位延米换热量测试详见后续讨论) 

3  岩土热响应实验方法

1）现场测试条件

⑴ 平整测试孔周边场地，提供水电接驳点；

⑵ 测试现场应提供满足测试仪器所需的、稳定的电源。对于输入电压受外界影响有波动的，电压波动的偏差不应超过5％；

⑶ 测试现场应为测试仪器提供有效的防雨、防雷电等安全防护措施。防止测试设备受日晒雨淋的影响，造成测试元件的损坏，影响测试结果。

⑷ 测试孔，符合《地源热泵系统工程技术规范》要求，地埋管换热器连接正确，无渗漏，试压正常，地埋管中注满符合规范要求的循环水。

2) 测试步骤

⑴ 制作测试孔。平整周边土地。

⑵ 土壤初始温度测试。（详见 地源热泵地下换热系统温度场的测试分析）

⑶ 岩土热响应测试

a) 测试孔（槽）周边场地平整，提供水电接驳点

b) 测试仪器与测试孔（槽）的管道连接，连接应减少弯头、变径，连接管外

露部分应保温；

c) 测试孔完成并放置48小时以上（水泥基料为回填材料时，干燥过程会放热，宜放置十天以上）。根据现场及设计条件，进行钻孔试验，合理选择试验钻孔位置，尽可能排除扰动因素，降低试验误差；

d) 水平管长度尽量不超过50mm，采用橡塑保温，厚度不小于10mm；

e) 在水电等外部设备连接完毕后，应对测试设备本身以及外部设备的连接再次进行检查；

f) 连接管道的隔热保温：从试验台到地埋管的水平连接管道进行保温隔热，减小环境对管内循环水的传热影响。

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