地源热泵地埋管换热器热响应测试分析

摘要:目的获得可靠的岩土综合导热系数，为地源热泵地埋管换热器提供正确的设计参数．方法以沈阳近郊低山丘陵地区某地源热泵工程为例，基于岩土热响应的原理，建立了现场测试岩土导热系数的方法，阐述了热响应测试的理论基础，利用线热源模型分析和计算了测试数据．结果该低山丘陵地区的岩土具有较好的导热能力，两处测井的岩土导热系数分别为2.12 W/(m·K)和2.33 W/(m·K);与推荐的相似岩土导热系数比较显示，测试结果在合理范围．结论岩土导热系数是正确设计地埋管换热器的先决条件，现场岩土热响应测试可以获得可靠的岩土综合导热系数;经过分析计算，测试地点的岩土综合导热系数为2.23 W/(m·K)，具有良好的热传导能力;测试和分析方法可为相似工程提供应用借鉴．
随着社会发展，能源和能耗已经成为广泛关注的问题，可再生能源的利用也越来越受到重视［1］．地源热泵系统通过输入少量高品位能源来实现低品位热能向高品位热能转移，是一种可以高效利用浅层地热能的可再生能源技术．文献［2］将常州地区某办公楼地源热泵系统与传统风冷热泵系统、冷水机组+燃气锅炉系统进行经济性比较，得出地源热泵系统不仅能够有效节约能耗，而且具有极大的经济性价值，同时还具有重大环保、减排的社会意义．作为可再生能源利用的重要技术途径之一，地源热泵系统自上世纪80年代后期开始在世界范围内应用［3］．截至2010年10月底，地源热泵系统在我国学校、医院等公共建筑领域应用面积已超过一亿m2，随着节能减排力度的加大，同时作为重要的建筑节能技术，十二五期间国家将强化推广地源热泵［4］．
岩土热物性是影响地源热泵系统设计、运行及投资的重要因素．如果岩土导热系数有10%的偏差，设计出的井深至少会有5%的影响［5］．现场进行岩土热响应测试能够准确获得岩土热物性［6］．热响应测试得到的岩土导热系数受测试时间、进出水温度、回填料物性参数等因素影响［7－10］外，还与测试地点周边水文地质条件密切相关．Gehlin［11］等和Raymond［12］等人讨论了地下水渗流对地埋管换热器周围岩土换热性能的影响，结果表明，即使存在较少的地下渗流水，也可使岩土的导热能力得到强化．《地源热泵系统工程技术规范》GB50366－2009规定［13］，在地源热泵系统方案设计前，应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察;当地埋管地源热泵系统的应用面积在3 000～5 000 m2时，宜进行岩土热响应试验;当应用建筑面积大于等于5 000 m2时，应进行岩土热响应试验．因此，进行岩土热响应测试获得岩土导热系数，是正确设计地源热泵地埋管换热器的先决条件．
国外在地源热泵地埋管换热器热响应测试的理论和应用方面发展较为成熟．热响应测试于1983年由Mogensen［14］首先提出，Eklof［15］等利用无限长线热源理论研制了第一台移动热响应测试设备，Austin［16］等在1998年建立了测试岩土热物性的装置，并利用数值方法得到了岩土的综合导热系数．国内对热响应测试的关注始于2000年，其理论研究与发展趋势与国外相似［17］．虽然取得了较多的研究成果，但仍存在缺乏足够实际工程经验积累的问题．笔者根据沈阳低山丘陵地区某地源热泵实际工程，将热响应测试的理论应用到实际，阐述了热响应测试的理论基础;建立了现场进行热响应测试的设备;同时基于经典的线热源理论对测试数据进行了整理和分析，得到了该地源热泵工程区域的岩土综合导热系数;与相近岩土的导热系数对比分析显示，热响应测试的结果合理可靠;测试和分析过程能够为相似工程提供应用借鉴，测得的数据能够为相似岩土区域提供参考．
1·地埋管换热器的热响应测试
1.1工程概况
测试地点位于沈阳近郊，周边为低山丘陵地势．测试前对场区内多处位置进行了现场地质勘查，表1给出了地下深度及对应的地质构造．

1.2测试井布置
选择两处测试井进行岩土热响应测试，分别记为1#井和2#井．测试井直径均为150 mm，有效深度均为100 m．地埋管材为PE管，PE管外径为32 mm，内径为26&