地源热泵系统岩土热响应试验

□文/孙 凡

地源热泵技术是绿色环保、节能高效的能源利用技术[1]。地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源，既能供热又能制冷的环保型空调系统[2]，通过输入少量的电能，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。本文对4种冷热源方案进行了能源利用合理性评价与冷热源形式经济性评价，通过综合分析各关键因素，最终确定项目的冷热源方案为垂直埋管地源热泵系统，同时，通过热响应试验，了解项目所在区域岩土的基本物理性质,在此基础上,掌握岩土体的换热能力,为地源热泵系统设计人员结合建筑结构、负荷特点等设计系统优化方案提供基础数据,以保障系统长期运行的高效与节能[3]。

1 工程概况

某国家级博览类公益性建筑位于天津滨海新区东部填海造陆区域，总占地面积约15 万m2，总建筑面积约8 万m2，建筑高度37 m。建筑造型复杂，大空间、大跨度房间较多，在设计阶段就将获得国家三星级绿色建筑设计标识作为目标。

2 冷热源方案比选

对4种冷热源方案进行了能源利用合理性评价与冷热源形式经济性评价，分别是电冷机+燃气热水机组、燃气直燃机、水源热泵和垂直埋管地源热泵。

电冷机+燃气热水机组系统的优势是可充分利用市政资源，可靠性高，机房占地面积较小；不足是需要增加电网峰值负荷，降低电网效率。燃气直燃机系统的优势是供热不受限制，减轻电网负荷，提高燃气基础设施的年利用率；不足是长期稳定性稍差。水源热泵系统的优势是国家鼓励可再生能源利用，现场热排放强度低，耗水量低；不足是如当地水质较差，水处理较复杂且受地质条件约束较大，施工繁琐。垂直埋管地源热泵系统的优势是国家鼓励可再生能源利用，现场热排放强度低，耗水量低；不足是增加电网峰值负荷，降低电网效率和需要埋管面积较大。

不同的冷热源系统，经济效益是不同的，在设计阶段应确定一个比较标准。本文采用寿命周期年平均成本指标（LCC）和系统使用能源消耗排放作为比较标准，对冬季、夏季组合冷热源系统进行经济性、环保性评价。在技术方案可行的基础上，选用LCC 和能源消耗排放最低的系统。见表1和表2。

表1 不同冷热源系统寿命周期年平均成本 元/m2

表2 不同冷热源系统单位能耗和排放

根据前期调研，周边区域建筑冷热源采用可再生能源的项目运行情况：某度假酒店建筑面积3.4万m2，采用3 台制冷量为1 366 kW 的水源热泵冷水机组，由于目前水源水质较差，处理工艺复杂，冬季供热效果不理想；海鲜美食街建筑面积2万m2，采用3台制冷量为1 325 kW 的水源热泵冷水机组，由于目前水源水质较差，管路淤堵，井水回灌不畅，制冷供热效果均不理想；生态城动漫园整体区域建筑面积约20万m2，采用地源热泵系统，设置集中能源机房，目前运行状况良好。综上分析，本区域内地下水源水质情况不好，水源回灌不理想；相比之下，地源热泵系统运行情况较为稳定，可靠性较强。

综合分析各关键因素，本着绿色，节能的原则，最终确定采用垂直埋管地源热泵系统。

3 热响应试验

3.1 方案

地源热泵系统中地下埋管与周围土壤组成了换热器，其换热性能受周围岩土影响较大。不同地点的岩土热物性不同，换热器的换热量也不同。为给拟建建筑地源热泵系统的设计提供可靠的基础数据，进行岩土热响应试验。岩土热响应试验是指利用地埋管换热系统采用人工冷（热）源向岩土体中连续加热（制冷）并记录传热介质的温度变化和循环量，来测定岩土体热传导性能[4～5]。

共测试了3口换热井，井深均为120 m，采用双U型换热器，回填材料均为中粗砂。埋管选用PE管，管外径32 mm、壁厚3 mm、内径26 mm。见图1。

图1 双U型埋管连接

测试设备为电加热器及温控器、水泵、超声波流量计及Pt1000 铂电阻温度传感器等。水泵流量采用调节阀控制，测试流量保持在1.55 t/h 左右，流量误差≤±2%，温度误差≤±0.2℃，符合规范要求。

3.2 测试步骤

1）热响应试验在埋设换热管100 h后进行。

2）原始地温测量：下管过程中在一口井内设置温度测点，分别布置在-10、-30、-50、-70、-90、-110 m，取平均值作为钻孔内岩土平均温度。

3）测试方法：采用恒热流法，以固定的热流密度向地下排热，每隔7 min测试一组数据，测试时间约为48 h。

4 试验结果

4.1 土壤原始温度

120 m内土壤原始平均温度为15.3℃。见表3。

表3 土壤原始温度

4.2 1#井试验结果

4.2.1 岩土导热系数

测试时间历时48 h，设定加热功率为6.2 kW，管内流量固定为1.57 m3/h，测试结果见图2。

图2 1#井地埋管换热器进出水平均温度随时间变化曲线

采用恒热流模拟试验方法（热响应测试）得出的试验数据是地埋管换热孔进出水温度随时间变化的一组数据，利用线源解析法可逆推得到岩土体的导热系数。

式中：Tf(t)为随时间变化的地埋管换热器进出水平均温度，℃；q为单位延米地埋管换热孔换热量，W/m；λ为岩土体导热系数，W/(m·K)；a为岩土体导温系数，m2/s；r为钻孔半径，m；γ为常数，取0.577 2；Rb为钻孔内热阻，m·K/W；T0为地层初始温度，℃。

根据式（1）可推导出岩土体导热系数的公式

将恒热流模拟试验的数据分析整理为式（2）的形式

结合式（2）和式（3），计算得出测试孔周围岩土导热系数为1.84 W（/m·℃）。

4.2.2 30℃供水时换热器换热量

在水流量为1.57 m3/h、供水温度为30℃时，计算回水温度为26.4℃，换热量为6.7 kW。

4.2.3 35℃供水时换热器换热量

在水流量为1.57 m3/h、供水温度为35℃时，计算回水温度为30.1℃，换热量为8.9 kW。

4.2.4 5℃供水时换热器换热量

在水流量为1.57 t/h、供水温度为5℃时，计算回水温度为7.6℃，换热量为4.7 kW。

4.2.5 7℃供水时换热器换热量

在水流量为1.57 t/h、供水温度为7℃时，计算回水温度为9.1℃，换热量为3.8 kW。

4.3 2#井测试结果

4.3.1 岩土导热系数

测试时间历时48 h，设定加热功率为6.2 kW，管内流量固定为1.60 m3/h，测试结果见图3。

图3 地埋管换热器进出水的平均温度随时间变化曲线

将恒热流模拟试验的数据分析整理为式（2）的形式

结合式（2）和式（4），计算得出测试孔周围岩土导热系数为1.83 W（/m·℃）。

4.3.2 30℃供水时换热器换热量

在水流量为1.60 m3/h、供水温度为30℃时，计算回水温度为26.5℃，换热量为6.7 kW。

4.3.3 35℃供水时换热器换热量

在水流量为1.60 m3/h、供水温度为35℃时，计算回水温度为30.3℃，换热量为9.0 kW。

4.3.4 5℃供水时换热器换热量

在水流量为1.60 t/h、供水温度为5℃时，计算回水温度为7.5℃，换热量为4.7 kW。

4.3.5 7℃供水时换热器换热量在水流量为1.60 t/h、供水温度为7℃时，计算回水温度为9.0℃，换热量为3.8 kW。

4.4 3#井测试结果

4.4.1 岩土导热系数

测试时间历时48 h，设定加热功率为6.1 kW，管内流量固定为1.54 m3/h，测试结果见图4。

图4 地埋管换热器进出水的平均温度随时间变化曲线

将恒热流模拟试验的试验数据分析整理为式（2）的形式

结合式（2）和式（5），计算得出测试孔周围岩土导热系数为1.78 W（/m·℃）。

4.4.2 30℃供水时换热器换热量

在水流量为1.5 4m3/h、供水温度为30℃时，计算回水温度为26.3℃，换热量为6.6 kW。

4.4.3 35℃供水时换热器换热量

在水流量为1.54 m3/h、供水温度为3℃时，计算回水温度为30.1℃，换热量为8.8 kW。

4.4.4 5℃供水时换热器换热量

在水流量为1.54 t/h、供水温度为5℃时，计算回水温度为7.6℃，换热量为4.6 kW。

4.4.5 7℃供水时换热器换热量

在水流量为1.54 t/h、供水温度为7℃时，计算回水温度为9.1℃，换热量为3.7 kW。

4.5 误差分析

4.5.1 土壤温度测定

采用Pt1000 铂电阻测试土壤原始温误差小，仪表及测量误差约1%左右。

4.5.2 流量的测量

循环水流量的测量采用进口超声波流量计，测量误差在±2%范围内。

4.5.3 连接管道的保温隔热

从测试设备到测试井有大约3 m 的距离，这部分连接管道采用了20 mm 壁厚的橡塑保温材料，减少了管道的热损失。

4.5.4 总体热损失

通过采取各种技术措施，试验误差控制在±5%以下。

5 结论

经对比分析，3#井测试计算的岩土导热系数偏小，分析原因可能是回填时采取人工方式，钻孔内回填料没有压实，存在空隙，其中含有空气，空气导热系数很小，加大了钻孔的传热热阻，使得热流体不能与土壤充分换热。1#、2#井测试计算的岩土导热系数偏大，说明回填质量更高。在实际工程施工过程中，1#、2#井和3#井的情况都可能出现，因此本试验的岩土热物性参数可以取1#、2#和3#井的平均值1.82 W（/m·K）。

6 建议

由于实际运行与测试会有差异，特别是建筑物的冷热负荷不同，地埋管的排热和吸热量也不相同。若吸热量大于排热量时，地下温度逐渐下降，夏季换热量会大于测试值，冬季换热量会小于测试值；若排热量大于吸热量时，地下温度会逐渐上升，冬季换热量将大于测试值，夏季换热量将小于测试值。下一步，建议根据项目的负荷情况，进行地埋管换热器数量的模拟计算。