岩土热响应测试及应用中的问题探讨

摘要：岩土热物性参数是地源热泵系统设计的重要基础依据，其准确程度决定着地源热泵系统运行的可靠性和经济性。本文介绍了岩土热物性测试设备构成及数据处理模型，并对热响应测试的某些问题进行了讨论。热响应测试是地源热泵工程应用的基础工作，具有重要意义。目前仍需要对其计算模型、测试方法及装置进行研究。

关键词：地源热泵；岩土热物性；热响应测试

中图分类号：TK172 文献标识码：A

概述

岩土热物性参数包括地埋管深度范围内岩土的综合导热系数和综合体积比热是地源热泵系统设计的重要基础性依据。目前，岩土热物性参数的获取方法有查表法、实验室测量法和现场测试法，其中现场热响应测试得到的数据更能反映场地的实际情况，因此规范[1]规定应进行现场热响应测试。

自1983年以来，国内外许多单位研制出了岩土热物性参数测试装置，我们根据工程需要，在工程实践的基础上，自主研发了一套热响应测试装置，同时，还在实际应用中不断进行完善和改进。

1现场测试装置及测试方法概述

1.1热响应测试装置

主要包括循环系统（水泵，管路、调节阀门等）、加热系统（水箱，电加热等）、电控系统（总电源开关，水泵开关，加热器开关，24DV电源等）和测量系统（进出温度传感器，进出压力传感器，流量传感器，电功率传感器，数据采集模块，通讯模块，计算机等）。

1.2土壤原始温度测定

土壤原始温度必须首先测定，可以采用直接埋在土壤深处的铂电阻温度传感器测定；也可以通过在不加热情况下只开启循环泵量测U型管水温，作为岩土原始温度。

1.3热响应测试

土壤原始温度已测之后，开始热响应测试。通过加热器以恒定热功率对水箱内的水加热，使加热后的循环水以恒定的流量进入埋设在地下与周围土壤充分接触的U型管换热器进行换热。开始加热之时即以一定时间间隔（如5min或10min）记录地下换热器U型管的进出口水温，流量，功率。

2岩土热物性参数计算模型及选择

计算岩土热物性参数可采用线热源解析模型、柱热源解析模型以及三维数值模型。

2.1计算模型

（1）线热源模型。

（3）三维数值模型。三维数值模型不但非常复杂，包括管内流动方程、能量方程和固体区域导热方程，而且其求解对专业知识要求较高。

2.2计算模型比较分析

（1）采用线热源模型和柱热源模型处理数据，包括导热系数、体积比热以及孔内热阻3个未知数；采用三维数值模型，则只包括导热系数，体积比热2个未知数。

（2）求解以上参数的基本思路：

（3）采用三种模型计算岩土热物性参数的精度目前尚无普遍结论。三维数值模型理论上最准确，但计算复杂，计算时间长，并且要注意传热反问题数值求解的不适定性，目前应用并不普遍。柱热源解析模型和线热源解析模型目前应用较多，特别是线热源解析模型应用最为广泛。

我们自主研发的热响应测试装置进行热响应测试后，沿用了线热源解析模型进行热物性参数计算。同时也正在积极进行对换热器性能预测有较高准确性的地下换热器一维非稳态数值模型（简化模型）的研究，并用进行热物性参数的估计。

3几个问题的讨论

3.1关于测试时间

测试至少应在钻孔完成后2天进行，尽量消除施工对测试的干扰。若采用水泥回填，凉孔时间最好10天以上，因为水泥有一个缓慢的放热过程。

由于线热源解析模型在测试初期的准确性较差，一般10小时以前模型计算值与测试值符合性不很理想，因此，正式测试时间应连续进行48小时，同时，测试前期10小时的数据最好不参与计算。

若测试中途因故障停机（如停电，或有的工程柴油发电机停机），测试数据的持续时间长度不够，可能造成计算结果出现偏差。因此，有必要研究能准确进行短步长的计算模型，可以大大缩短测试时间，节约测试成本。

3.2关于恒热流条件

由于线热源解析模型和柱热源解析模型使用的前提必须是恒热流条件。如果测试条件发生变化（如电压波动或流量变动等）都会因计算前提不满足，而造成计算模型的不适用，其结果必然是要么换孔测试，要么等其恢复到原始状态再测，需要更长时间。如果计算模型能在变热流条件下进行比较准确的计算，则对测试条件和工况降低了限制要求，既可以减低因测试时间过长出现的诸多不可预料的不利因素的影响的可能性，又可以降低测试成本。这也正是开发组研究简化数值模型的目的所在。

3.3关于恒温测试法

目前有人提出了一种恒温测试法。该方法控制进水温度和流量在某一定值，待运行“稳定”（48～72小时）以后测出单位深度换热量。该方法可不求导热系数以及体积比热。而在进行地源热泵长期（1～30年）运行性能预测时，需要导热系数以及体积比热而不是单位深度换热量，恒温测试法无法准确计算导热系数和体积比热，导致此方法具有很大的局限性。

3.4关于单位深度换热量

有些设计院和业主并非完全理解地下换热器设计所需参数的测试条件和使用条件，而仅要求测试单位提供单位深度换热量，并以此为依据设计换热孔深度和数量，其设计结果并不符合热泵制冷机组实际运行环境。由于热响应测试一般是进行单孔试验，获得的参数不可能反映孔群效应；另外，单孔试验换热量是在特定测试条件下获得，这个条件不一定符合热泵制冷机组的运行条件，我们曾进行过放热测试（电加热），“稳定”换热量为50W/m，但U型管出水温度却达到37℃，以此换热量来设计地下换热器明显不符合机组高效运行条件，因此单孔换热量不能作为设计孔群的依据。

4 结语

4.1目前计算岩土热物性参数的线热源解析模型和柱热源解析模型均是在恒热流前提下适用，三维数值模型理论上比较准确，但仍受输入参数的影响，因此有必要进行新的或简化计算模型的研究；

4.2为消除施工过程的干扰，热响应测试至少应在钻孔完成后2天进行，同时正式测试时间应连续进行48小时，并且测试前期10小时的数据不参与计算；