地源热泵土壤换热系统热响应测试

一、热响应测试目的及步骤

1 测试目的

土壤型（地源）热泵系统的设计，主要就是土壤型热交换器的设计；而土壤型热交换器的设计，最主要就是确定地层土壤的平均导热系数！地层土壤的导热系数，包含了土壤（岩石）、回填料以及塑料管壁等导热的综合情况。其中若选取的岩土热物性参数不准确，设计的系统负荷要么达不到要求，要么规模过大，加大投资。地下地质构成复杂，即使同一种岩石成分，其热物性参数取值范围也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍。国外研究人员通过实验测出土壤和岩石两类的导热系数，其数量级可以由0.4 W/(M ℃) 至6.0 W/(M ℃)，且随其密度及湿度不同而异。

地源热泵设计的核心是获取准确的土壤的取、放热导热特性参数！目前土壤的导热特性主要有三种获得方式：利用简化模型数值计算、利用经验估算、做土壤热特性测试。单纯的按照简化模型计算往往误差过大；经验的估计值在方案分析阶段有一定的参考价值，但一直以来设计人员只能在某种土壤或岩石导热系数范围内，保守取用较低值，导致设计埋地换热管的数量比实际需要的多，从而增加了项目投资成本；只有在地源热泵规划施工场所现场进行土壤热特性测试才能够获得完整和准确的土壤数据。

因此，为保证一个地源热泵系统准确的设计，土壤热特性测试是必不可少的前提步骤。试验埋管一般推荐6000m2左右建筑物设置一个。在上海睿美环境频繁的工程实践应用中，测试分析结果与空调系统运行效果的一致性，验证了地层土壤测试设备使用的可行性和现实意义。

该测试设备测试数据的可靠性，主要与以下两个因素有关：

测试要在未曾投入运行的挖掘中进行，以保证土壤处于未受热扰动的状况下；

测试需要不间断的运行几个昼夜或一段时间，时间的长短受到不同地质状况和热环境的影响来决定。

测试报告结论一般涵盖两部分内容，一是相应工程地埋管温度场测试及结果分析；二是根据温度场测试结果，对地埋管进行换热计算

2 测试要点：

1、按设计要求钻孔，并记录土壤类型、不同类型土壤的厚度以及不同土壤每米钻孔所需时间。

2、按要求把U型换热管放入钻好的孔中。

3、在放好换热管的孔中回填填料，并将换热管中充满水。

4、保证换热管内充满水，封闭管口，让其稳定。

5、测试前让换热管中水循环流动60分钟以上。

6、某时刻起对换热管环路中的水进行连续加热，并记录加热功率、回路中水的流量、水温及其对应的时间。

7、我司配备一整套软件将采集、记录、处理测试数据，并动态显示水温变化、电压、电流等参数，并自动绘制其参数变化曲线。
 
3 测试仪器主要构件

测试装备包括以下构件：

1、试压、保压后的成井。

2、岩土热物性测试仪及其配套软件，由IGSHPA （国际地源热泵协会）推荐，美国原装进口。

3、数据采集仪：土壤导热能力测试数据采集记录仪HOBO FlexSmart Logger； 目前采用HOBOware Pro version2.3.1，由美国Onset Computer Corporation 开发提供。此为测试设备原装附带软件。

4、模拟量输入输出模块

5、进出水温度、流量、电流、电压传感器

6、电脑及其显示设备 

7、信号、电源连接线

8、稳定的单相交流电源

图1  现场测试装备总图

 
4 测试实验原理

如图一所示，由于泵的作用，流体由A口进入，传感器采集信号。流体通过泵后，由电加热器加热，加热的流体温度信号由传感器采集，然后流体从B口流出，输入到埋置于岩土中的PE管内，导管内加热的流体与岩土进行热交换后，又从A口返回到仪器内，形成封闭的循环。将在一定时间内连续采集到的功率、温度等参数作为测量数据，再由线热源理论公式求出岩土的平均导热系数，继而对地埋管进行换热计算，达到检测目的。
数据输出通过专用程序软件来实现，将采集到的数据以特殊的格式存储在控制柜中的电脑里，也可转移到其他计算机中；根据所收集数据通过专业数据分析软件进行数据分析。
 
二、测试数据及其图表

对地源热泵项目竖埋管换热情况测试，现场对地埋管进行实时测试。

1测试环境:

对应具体工程当地夏季冬季气象参数。

2 地源热泵系统优势背景:

科学研究发现，土壤温度的变动随深度增加而减少，到地下15m以下时，这种影响可忽略。太阳能储藏在土壤中的这部分可再生能源为空调系统提供了节能环保的天然冷、热源。

某项目热物性测试结果