热响应试验

热响应试验摘要：本文综述了地埋管地热换热器热响应试验技术的发展和现状，介绍了美国相关的标准和技术要求。对我国现存的两种热响应试验方法，即“恒热流法”和“恒温法”，进行了评价，指出：对于大中型的地埋管换热器项目，应当现场测试岩土体的热物性，并按规范的要求进行地埋管换热器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 计算。关键词：地源热泵地埋管换热器热响应试验现场热物性测试地埋管地源热泵技术由于其节能和环保的优势正在我国得到迅速推广应用，而应用这一新技术的障碍之一是它的初投资较传统的供热空调系统偏高，其中地埋管换热器的投资通常可占整个空调系统初投资的1/3~1/2，而钻孔的成本又是地埋管换热器总投资的主要组成部分。因此，恰当地设计地埋管换热器对于推广地源热泵技术，特别是对于大中型的项目，有着特别重要的意义。热响应试验地下岩土体的导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数［1］。然而地下地质结构构成复杂，即使同一种岩石或地质成分，其热物性参数相差也比较大。如果物性参数不准确，则设计的埋管系统有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。由于地埋管的深度可达80~150m,穿透不同的地层，在现有的计算模型中通常要求在该深度范围内岩土体的平均热物性值，所以通过现场试验确定地下岩土的平均导热系数是国际上通行的做法。这种试验也被称作地热换热器的''热响应试验"。美国的俄克拉荷马州立大学（OSU）在开发应用现场测试岩土热物性技术方面进行了持续不懈的努力，在1976年就已经奠定了该技术的理论基础［2］。在1995年首先在瑞典［3］和美国［4］几乎同时把该技术应用于 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实际。具体做法是在将要埋设地热换热器的现场钻孔，在钻孔中埋设U型管并按设计要求回填；在回路中充满水并与测量装置联结，在地下温度场基本恢复后对循环回路以恒定的功率加热（或冷却），让水在回路中循环流动，并测量回路中水的温度随时间的变化。一种典型的热响应试验装置的示意图如图1所示。1加籾朮楷3-遗9.讣i退豈隹2.'決氓n.a尽汛星”屯便空表林准灼土壤霹輕•训试■回幣椀物性滝试倪禾意岳图1热响应试验裝置的示意图（引门ASHRAEHandbook2007）确定地下岩土的导热系数需要求解传热反问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，通常采用的数学模型是线热源模型［5，6］，或数值 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 模型［7，8］。根据测得的数据，可以采用参数估计方法计算得到钻孔周围岩土的平均热物性参数。现在世界各国大体上都采用这一方法做热响应试验，国际地源热泵协会（IGSHPA）的标准［10］和美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）手册［11］都推荐这一方法。国际能源机构（IEA）起草的关于热响应试验的指导文件中同样采用恒热流方法［12］。我国最早的有关地源热泵系统现场热物性测试的报道是2000年山东建筑工程学院的项目［13］以及后续的以于明志为主完成的工作［14~16］。近年来在我国可以见到更多基于恒热流法的测试工作的报道［17~19］。我国2005年颁布的《地源热泵工程技术规范GB50366-2005》（以下简称''规范"）要求对工程场地岩土体地质条件的勘察应包括岩土体的热物性。现在国内出现了两种不同的试验方法，正在引起业内人士的讨论。为对这两种方法加以区别，可以把上面提到的方法称作'恒热流法”，我国最近推出的方法称为'恒温法”。两种方法在试验的目的和总体思路上是有较大的差别的。恒热流法热响应试验的技术要求采用''恒热流法”确定岩土层的热物性是国际地源热泵协会（IGSHPA）、美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）和国际能源机构（IEA）所推荐的方法，也是国际上通行的做法。它通常采用恒功率的电加热，试验中记录循环水进出口温度随时间的变化，因此仪器的结构和控制相对比较简单。在荷兰［6］、德国和瑞典也有少数采用热泵作为冷热源进行热响应测试的报道，但保持循环水的流量和进出口温差不变，仍然保持'恒热流”的特点。当采用热泵时，除了对岩土体进行加热之外也可以进行冷却工况下的测试。这种方法主要可用来确定岩土层的平均导热系数以及钻孔内的热阻，它并不直接提供所谓的'每米钻孔的换热量”的数据。得到岩土体热物性数据后，可以根据一定的传热模型模拟地下岩土层以及回路中循环液温度的短期、中期（一年）和长期（多年）的变化，并相应地采用适当的软件或按设计规范计算得到地埋管换热器的设计总长度。这是美国的标准和我国的《规范》要求的方法。当然根据冷热负荷的设计最大值，最终也可以得到'每米钻孔的换热量”这样一个参考指标，但这是设计完成后得到的结果，而不是设计中需要的指标。ASHRAE和IGSHPA对地热换热器热响应试验的设备和技术提出基本相同的要求°ASHRAE手册［11］中对现场热物性测试的具体要求是：1）热物性测试的时间应为36~48h。（注：IEA的指导意见是大于48h。）2）加热功率应为每米钻孔50~80W，大致为实际U型管换热器高峰负荷值。3）加热功率的标准差应该小于其平均值的1.5%，最大偏差应小于平均值的±10%；或由于加热功率的变化引起的平均温度值对于T（温度）-log（t时间的对数）坐标上的一条直线的偏差应小于0.3K。4）温度测量和记录仪器的精度应为±0.3K。5）功率传输和记录仪器的综合精度应为读数的±2%。6）U型管内的流速应适当，以保证U型管进出口温差为3.7~7K。7）对于低导热率（k<1.7W/（m・K））的岩土体，建议在完成埋管和回填5天以后再开始热物性测试；对于高导热率（k>1.7W/（m・K））的岩土体，则建议在完成埋管和回填3天以后开始热物性测试。8）地下岩土体的初始温度在上述等待期以后测试，可以在注满水的管中在三处不同的深度直接插入测温元件测定并求平均值，或在循环泵刚启动后测定U型管的出口水温代表岩土体初始温度。9）数据采集的频率不少于10分钟一次。10）所有地面以上的管路应采用厚度不小于13mm的闭孔隔热材料或具有同等效果的措施进行保温。试验装置应设置在由不小于25mm玻璃纤维层隔热或具有同等隔热效果的密闭小室中。11）如果需要对钻孔重新进行测试，则需要等U型管回路中的温度回复到与初始温度的差值不大于0.3K方可进行。如果已经进行了完整的48h测试，对于中等或高导热率的地层，这一过程通常需要10~12天，对于低导热率的地层，则需要14天。如果已经进行的测试时间较短，则等待的时间也可相应缩短。恒温法热响应试验'恒温法”的热响应试验是近年来在我国开发的，已有华清集团［20,21］、河北工业大学和东南大学等单位应用的报道。该方法在试验中保持进水温度一定，再由测得的流量和回水温度得到回路中的换热量，对于测试的细节没有见到足够详细的描述。采用的加热热源可以是电热元件，也可以是热泵。由于要设法保持回路的进口温度保持不变，在热（冷）源部分必需有控制装置进行调节。这种方法的主要目标是确定在'稳定”状态下每米钻孔的传热量，虽然在理论上也可以通过建模和参数估计的方法求出岩土体的热物性，但在见到的文献中还没有见到由此确定岩土体热物性的理论模型和计算方法的报道。国内报道的“恒温法”的设备都设置有热泵，因此最大特点是可以做“热”和“冷”两种工况的试验，而且直观地给出了U型管回路在试验工况下的传热量。必需指出，如果把这样的''每米钻孔的传热量”的数据直接用来作为设计地埋管换热器总长度的依据将会造成概念上的误导，也是不符合《规范》对地埋管换热器设计的要求的。因为很明显，工程实际工况的影响因素要复杂得多，测试不可能模拟实际的工况。但是在对这种试验的方法和技术条件进行必要的规范，特别是规定控制的进水温度值和测试时间以后，这种试验的结果可以作为反映单钻孔地热换热器传热能力的一个指标。对于测定岩土体热物性的目标来说'，热”和'冷”工况的试验是没有本质的差别的，只有在需要考虑土壤冻融或含水层中自然对流的影响等特殊的场合，'冷”工况的试验才有一定的意义。对于岩土体热物性随温度变化的因素来说，在试验涉及的温度范围内，两者的差别远小于试验可达到的精度，可以忽略不计。这样，在现有的试验中只是为了测定'每米钻孔的传热量”才需要区分冷、热不同的工况。而为了测'冷”工况，一定需要采用热泵，使设备变得复杂和庞大。''恒温法"热响应试验的时间通常也是48~72h,在报道中通常称之为工况'达到稳定”。这样的提法至少在理论上是不正确的。虽然回路进出口水温的变化率已经小于0.1K/h,或已经小于测温仪器的精度因而难以辨识，但实际上这一温度仍在单向地缓慢变化，远没有达到稳定。理论分析表明，对于恒热流的一维线热源模型或圆柱面模型，系统永远也不会达到稳定；如果时间趋于无穷，温度将会趋于无穷大。二维的有限长线热源模型指出，在边界温度不随时间变化的条件下，时间趋于无穷时系统的温度将会趋于稳定，但对于地埋管换热器这样的几何尺寸来说，达到基本稳定的时间将是数年至数十年的数量级［1］。因此数十小时的试验谈不上'稳定”，但是若规范一个统一的试验时间，也 许可 商标使用许可商标使用许可商标使用许可商标使用许可商标使用许可 以使不同场合的试验数据有一定的相互比较的意义。此外，实际的地源热泵系统的运行是热流（负荷）主导，而不是（循环液）温度主导的。建筑物中产生的热量一定要通过地热换热器传到岩土体中，所以在实际运行（以及合理的模拟）中都是由负荷决定回路中循环液的温度，它随时间有很大的波动。因此，恒定地埋管回路进水温度的工况不是地源热泵系统实际运行工况的合理模拟。4结语地埋管换热器热响应试验对于勘察地下岩土体的导热特性、准确设计地源热泵系统是必要的。国际通行的做法，包括IGSHPA的标准、ASHRAE的手册规定的方法和IEA的指导意见，要求热响应试验的目的是测定岩土体的平均热物性，为地热换热器的设计提供基础数据，同时都推荐'恒热流法”为标准的试验方法。在试验中，为了得到比较可靠的数据，需要对试验的条件进行规范，并保证测试数据的精度。'恒温法”热响应试验的方法是近来提出的新概念，其主要特点是在试验中保持供水温度恒定，其试验的主要目标是获得在冷、热工况下单钻孔换热器的传热能力。在对这种试验的技术要求进行必要的规范之后，这种试验的结果可以作为反映单钻孔地热换热器传热能力的一个指标。它存在两种热源，即电加热和热泵供热/供冷。它们不是区分'恒热流法”和'恒温法”的决定因素。在以确定岩土体热物性为目标的试验中'，冷”工况的试验通常可以不予考虑。'每米钻孔的传热量”的概念有简单直观的特点，受到业内很多人士的喜好。但是对于大中型的地源热泵工程，这个概念只适合用作方案设计阶段粗略的估算，而不应该作为设计的方法和依据。因为地埋管换热器的传热能力不仅取决于热响应试验所涉及的参数，而且与许多其他因素有关，其中最主要的有：冷热负荷的特点（即是连续作用还是断续作用）、全年冷热负荷的平衡、地埋管换热器中埋管的数量和布置形式、埋管的间距等，而热响应试验都不涉及这些因素。此外，地埋管换热器生命周期中允许的循环液最高和最低温度也是影响其换热能力的重要参数，需要在设计中权衡各方面的因素决定。因此，地埋管地源热泵系统的设计应该按照《规范》的要求，通过热响应试验得到岩土体导热系数的数据，采用专业软件或按规定的设计计算方法进行。'恒温法”热响应试验的整体思路和方法是我国开创的，总体上具有简单易懂的特点，比较适合我国当前工程技术队伍的技术状况，但是它缺乏严密的理论体系。可以允许在这方面从理论上继续进行探索，回答对它提出的各种质疑，例如怎样考虑群孔的影响和冷热负荷不平衡的影响等，同时从一定数量的工程实践中加以长期考察和总结。这可能是一种学术民主和实事求是的态度。