本工程拟采用节能环保的地埋管地源热泵系统为建筑物供热制冷。本次试验共进行了3个换热孔的热响应测试。
表 1 时间安排
现场测试 数据分析
测试孔1 2018年11月13日～11月15日 2018年11月16日～2018年11月20日
测试孔2 2018年11月15日～11月17日
测试孔3 2018年11月17日～11月19日
二、热物性测试方案
1、测试依据
参照《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005（2009版），采用热流法测定。
(1)岩土体的初始温度：在机组加载负荷未启动下，循环水泵循环1-3小时（进口和出口温度的温差≤0.2℃）后所测得的温度认定为未受干扰的地层平均温度Ts。
(2)岩土综合热参数计算：采用地埋管进出口流体温度的平均值来近似地埋管循环水温度（Tf），利用实测温度值与模型值进行参数估计来计算求取岩土综合热物性参数，包括综合导热系数λ、岩土体综合体积比热容ρcp。
(3)延米换热率计算：根据《地源热泵系统工程技术规范》中地源热泵系统设计的基本规定，在地源热泵设计温度参数下，通过计算来推荐冬夏不同使用条件下的延米换热率。
3、测试原理
图 1 地埋管换热器及几何模型示意图
地埋管换热器（一个回路）的结构如图1（a）所示。为对计算模型合理进行简化分析，引进如下假设：
①地埋管换热器周围介质的传热以导热为主要传热机理，因此假设钻孔周围岩土是均匀一致的；
②管内流体对流换热速率很快，远远大于换热管周围介质的传热速率，因此假设埋管与周围岩土的换热是钻孔中4根圆柱形体积热源与周围岩土进行换热；
③钻孔孔径较小，为0.15 m，钻孔长度为120 m，长径比很大，因此可认为地埋管换热器埋设区岩土沿钻孔轴向方向的传热忽略不计，即采用二维传热模型。
简化后的几何物理模型亦如图1（b）所示。求解物理模型所采用的控制方程为：
其中为体积比热，J/(m3·K)；为导热系数，W/（m·K）；为体积热源，W/m3；为温度响应，K；为时间，s；，为坐标，m；为物质种类。
在岩土热物性测试这个问题中，要得到的结果是体积比热和导热系数，这是一个传热反问题的求解过程，只要取得循环流体的温度响应和加热功率，即可通过模型采用优化算法求解获得。
这里采用岩土热物性测试仪获取循环流体的温度响应，采用有限元法和Nelder-Mead优化算法相结合的复合方法来进行岩土热物性这个传热反问题的求解，并采用有限元法建立群管模型求解冬夏不同条件下地埋管换热器的每米孔深换热量。所使用的计算方法已经应用在数十个地源热泵岩土热物性测试项目中，取得了良好的效果。
三、 热物性测试结果与数据分析
本项目测试孔3个，测试孔的基本参数见附件1。测试过程分为三个部分：
第一部分是进行现场实验，这一阶段通过地埋管换热器的现场热响应试验可以获得：初始岩土温度、循环水进口温度、循环水出口温度和测试系统的加热功率。
第二部分是进行传热参数计算，采用参数估计和优化算法进行数据处理，这一阶段可获得：岩土综合导热系数和体积比热。
第三部分是根据测定的物性参数给出地埋管换热器冬夏季工况的取热推荐值和放热推荐值，即钻孔延米换热率的推荐值。
2、测试原始数据
测试原始温度包括循环水进口温度和循环水出口温度，测试孔1的地埋管换热器的循环水原始温度数据如图3所示；测试孔2的地埋管换热器的循环水原始温度数据如图4所示；测试孔3的地埋管换热器的循环水原始温度数据如图5所示。另外，有关热功率和流量的数据见附件3。
3、数据分析
本方案采用有限元法和Nelder-Mead优化算法相结合的复合方法来进行岩土热物性这个传热反问题的求解，从而获得岩土的热物性参数。将数据分析所得热物性参数结果列表，如表2所示。
表 2热物性参数表
初始温度 导热系数 体积比热容
测试孔1 16.85 ℃ 1.78 W/(m·K) 2270 kJ/(m3·K)
测试孔2 16.86 ℃ 1.81 W/(m·K) 2270 kJ/(m3·K)
测试孔3 17.01 ℃ 1.79 W/(m·K) 2270 kJ/(m3·K)
平均值 16.91 ℃ 1.79 W/(m·K) 2270 kJ/(m3·K)
针对测试孔1所进行的热物性现场试验及后期参数估计分析，所得的试验孔埋深内岩土初始温度为16.85℃，岩土导热系数为1.78W/(m·K)，岩土体积比热容为2270 kJ/(m3·K)。针对测试孔2所进行的热物性现场试验及后期参数估计分析，所得的试验孔埋深内岩土初始温度为16.86℃，岩土导热系数为1.81W/(m·K)，岩土体积比热容为2270 kJ/(m3·K)。针对测试孔3所进行的热物性现场试验及后期参数估计分析，所得的试验孔埋深内岩土初始温度为17.01℃，岩土导热系数为1.79W/(m·K)，岩土体积比热容为2270 kJ/(m3·K)。
三、 结论
1、岩土热物性参数
测试孔1、测试孔2和测试孔3的热响应实验和参数估计的分析结果表明：岩土体初始温度约为16.91℃，120 m深的钻孔埋管区域的综合导热系数约为1.79 W/（m·K），平均容积比热约为2270 kJ/（m3·K）。
2、延米换热率
在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域地质条件深层岩土热物性的测试情况、考虑到当地地温初始温度、冬、夏季地埋管循环水平均温度设定（冬季：6-8℃，夏季：30~32℃），假定地埋管换热器回填密实，提出地埋管热交换能力的参考建议如下：
对De32双U形地埋管换热器，夏季钻孔每米孔深向地下释放热量可按60-69 W/m计算；
对De32双U形地埋管换热器，冬季钻孔每米孔深从地下提取热量可按29-35 W/m计算；
在地埋管换热器埋设空间充足的条件下，为增大蓄热体、减弱地下冷热负荷不平衡的影响，应适当加大地埋管间距。建议地埋管换热器的钻孔间距采用4-7 m，地埋管换热器埋设区域的换热孔平均间距不得小于3.5m。
论文作者:邵明亮
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷15期
论文发表时间:2019/11/20
标签：岩土论文; 物性论文; 测试论文; 温度论文; 换热器论文; 钻孔论文; 参数论文; 《建筑实践》2019年第38卷15期论文;