陳鵬

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院　廣東　廣州　510010）

重慶市永川區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)熱響應(yīng)測試及分析

陳鵬

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院廣東廣州510010）

2014年6月23日～25日對重慶市永川區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行地埋管熱響應(yīng)測試，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析得到該地巖土初始溫度、巖土綜合熱物性參數(shù)（包括綜合導(dǎo)熱系數(shù)和綜合體積比熱容）以及單位延米試驗(yàn)孔換熱量的參考值（雙U型埋管，放熱工況），從而對該地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

地源熱泵系統(tǒng)；熱響應(yīng)測試；土壤初始溫度；土壤熱物性

1　試驗(yàn)原理

雙U地埋管在恒定加熱熱流的工況下，通過鉑電阻測得進(jìn)、出口水溫并采用數(shù)據(jù)采集儀自動記錄，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)測得循環(huán)水量并人工讀取記錄，時間間隔均為10min，測試時長為35h。得到的測試數(shù)據(jù)采用三參數(shù)估計(jì)法確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱和鉆孔熱阻。

三參數(shù)估計(jì)法的基本思想為：通過不斷調(diào)整待求參數(shù)，這里也就是土壤導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱和鉆孔熱阻。當(dāng)實(shí)驗(yàn)記錄水溫與對應(yīng)時刻的理論計(jì)算水溫溫差平方和最小時的參數(shù)，即為最優(yōu)計(jì)算結(jié)果。這里將水溫平方差之和作為目標(biāo)函數(shù)f，表達(dá)式如下：

式中：Ti——實(shí)測i時刻的水溫，℃；

Ti′——理論計(jì)算i時刻的水溫，℃；

n——測試數(shù)據(jù)的組數(shù)。

鉆孔外熱阻的計(jì)算分別采用無限長線熱源模型和無限長柱熱源模型，無限長線熱源模型鉆孔熱阻計(jì)算式為：

式中：Rground，L——線熱源模型鉆孔壁至無窮遠(yuǎn)處的熱阻，（m·℃）/W；

q——熱流密度，W/m；

tb——鉆孔壁溫度，℃；

t∞——無窮遠(yuǎn)土壤溫度，℃；

rb——鉆孔半徑，m；

α——巖土熱擴(kuò)散率，m2/s；

τ——時間，s；

λs——巖土導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

無限長柱熱源模型鉆孔熱阻計(jì)算式：

式中：Rground，C——柱熱源模型鉆孔壁無窮遠(yuǎn)的熱阻，（m·℃）/W；

tr——距離鉆孔中心r處的巖土溫度，℃。

針對兩種模型在傳熱方面的滯后和超前效應(yīng)，實(shí)際傳熱熱阻應(yīng)介于兩者之間，故實(shí)際鉆孔熱阻可表示為：

Rground=wRground，L+（1-w）Rground，C

式中：Rground——鉆孔熱阻，（m·℃）/W；

w——線熱源鉆孔熱阻權(quán)重，取值為0～1之間。采用加權(quán)平均模型以及參數(shù)估計(jì)的方法計(jì)算巖土熱物性。保證標(biāo)準(zhǔn)差最小，即：

2　試驗(yàn)設(shè)備

本次測試所用的設(shè)備有熱響應(yīng)測試儀（定加熱功率型），見圖1所示；鉑電阻溫度傳感器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)以及三相鉗形功率表，相應(yīng)的參數(shù)列于表1。

圖1　熱響應(yīng)測試儀現(xiàn)場照片

表1　測試用設(shè)備參數(shù)表

3　測試方法

3.1土壤初始溫度測試

按照設(shè)計(jì)要求現(xiàn)場鉆孔之后需讓其放置7d，待測試孔內(nèi)巖土溫度恢復(fù)之后，在充滿水的U型管中插入PT100型鉑電阻溫度傳感器，測試土壤的初始溫度。鉆孔深度為100m，水溫測試間距為10m，共計(jì)10個。移動傳感器時，需在測點(diǎn)處停留約1min時間，待顯示溫度趨于穩(wěn)定，再進(jìn)行下一測點(diǎn)的溫度測量，取各點(diǎn)溫度的平均值作為該處巖土的初始溫度。

3.2土壤的熱物性測試

將雙U地埋管與熱響應(yīng)測試儀相連接，先試運(yùn)行，在單獨(dú)運(yùn)行水泵不加熱的工況下，檢查測試系統(tǒng)的接管處是否漏水；確保測試系統(tǒng)的氣密性后，對外露的管段保溫，開啟加熱器，進(jìn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。測試儀水箱內(nèi)部裝有固定熱阻的電加熱器，測試過程中保證恒定加熱熱流。分別記錄U型管進(jìn)、出口水溫，加熱器功率以及轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量，時間間隔為10min。

4　數(shù)據(jù)處理及分析

4.1土壤初始溫度

通過對測試數(shù)據(jù)的記錄，孔1和孔2土壤初始溫度測試結(jié)果見圖2所示。

圖2　土壤初始溫度曲線

從圖2可以看出孔1和孔2的測點(diǎn)的溫度與其對深度成對數(shù)關(guān)系，都隨深度的增大而升高，兩孔的平均初始溫度均為19.87℃。

4.2兩孔熱響應(yīng)測試結(jié)果及分析

通過熱響應(yīng)測試得到不同時刻兩孔的溫度值，孔1和孔2和進(jìn)、出口水溫的測試結(jié)果見圖3所示。

圖3　兩孔進(jìn)、出口溫度隨時間變化的曲線

從圖3可以看出，兩孔的溫度與時間成對數(shù)關(guān)系，均隨時間的推移而升高。兩孔進(jìn)、出口溫度的差值由加熱功率的不同而引起，兩孔的加熱功率分別為5.9kW、4.1kW。采用三參數(shù)估計(jì)法計(jì)算得到兩處巖土的熱物性參數(shù)，列于表2。

表2　兩孔處巖土熱物性參數(shù)表

由表2可知，孔2處土壤導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于孔1處，孔2鉆孔熱阻明顯高于孔1鉆孔熱阻。主要原因在于外孔2處下水量大，流動強(qiáng)度高，導(dǎo)致土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)較高，同時，鉆孔熱阻較低?？?單位井深換熱量對應(yīng)地埋管進(jìn)出口水溫為34.6/32.2℃，孔2單位井深換熱量對應(yīng)地埋管進(jìn)出口水溫為31.4/28.8℃。分析發(fā)現(xiàn)，測試孔單位井深換熱量相當(dāng)，但是對應(yīng)的進(jìn)出口水溫相差較大，說明孔2所在土壤散熱能力較孔1強(qiáng)，也間接證實(shí)了孔2地下水流動的存在。

5　結(jié)論

通過對孔1和孔2熱物性的比較可知兩孔散熱能力的不同，這是由于兩處水流動工況的差異引起的。同時，通過對雙U地埋管的熱響應(yīng)測試，得到該處土壤的初始溫度和部分熱物性參數(shù)，從而對地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供依據(jù)，使得系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行。

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TB65

A

1673-0038（2015）07-0062-02

2015-1-10

陳鵬（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工作。