满足两种岩土热响应测试方法的热响应测试仪

【摘 要】本文介绍了一种能满足两种热响应测试方法即恒功率法和恒温度法。针对这两种测试方法各自的特点，对这两种测试设备的结构和原理进行分析总结，将两种测试仪的功能合并在一台设备中，从而满足不同的测试工程需求，对于工程现场岩土热响应测试设备的优化、和设备的结构设计，具有一定的参考价值。

【关键词】热响应测试仪设计；恒定热流热响应测试；恒定供水温度热响应测试；热物性参数

1 前言

用热响应仪测试获得不同场地岩土的岩土热物性参数。我国《地源热泵工程技术规范（2009年版）GB50366-2005》中规定土壤源热泵系统方案设计的必要设计依据，是必须在工程场区内岩土体地质条件进行勘察，勘察设备采用热响应测试仪，国内外通常采用两种测试设备1）恒定功率法2）恒温度法

2 热响应测试设备

热响应测试的主要目的是获取岩土导热系数（）和体积比热（），或按设计规范计算得到地埋管换热器的总长度（m）、以及延米换热量（W/m），这些参数是决定场地是否适宜采用地源热泵系统的关键。两种热响应测试设备，偏重于不同的工程应用领域。

2.1 测试装置与原理

2.1.1 恒功率法热响应测试设备

恒功率法热响应测试仪设计的关键，是恒定换热介质的加热器的发热功率，试验采集测试地埋管进出水温度，流量，加载功率，并利用数学模型来计算得到岩土的热物性参数。在恒定加热功率下，一般将地埋管与岩土的换热过程简化成常热流的线热流模型和圆柱热源模型，此时根据地埋管进出水温度可以反演计算出岩土的热物性参数，包括比热容，导热系数等。恒功率法一般用于测试地埋管系统的放热工况。

2.1.2恒温法热响应测试设备

恒温度热响应试验法，核心是该设备进出水温度恒定，通过测定埋管出口温度，流量，得到换热功率，埋管换热量，反算出岩土热物性参数。在计算岩土热物性参数时对应的模型为变热流的线热源理论和圆柱热源理论。该方法可以用于地源热泵系统的放热和取热工况测试。

恒定供水温度法测试系统一般包含3个部分：水温控制系统、循环系统、数据采集系统。

水温控制系统，通常包含加热器水箱、智能恒温控制电器，温度―加热电流反馈控制执行器；循环系统，包含循环地埋管、循环水泵及流量计、流量调节装置；数据采集系统，采集流量埋管进出水温度、流量，加热箱的功率及电量。

图1中图（2）是恒温度法热响应测试装置系统图，图（3）是能满足两种测试方法的热响应仪原理图。

图1

恒温法热响应测试，首先设定测试进水温度，恒定进水温度下对岩土进行换热到达换热平衡，加热水箱提供的加热功率即为岩土对埋管中的水体的换热量，再通过变热流的线热源理论和圆柱热源理论可计算出岩土的热物性参数。

与恒定功率法相比，恒温法的优点，测试时间短，耗能低，通过测试，能比较直接地得到地埋管单位井深换热量。单位井深换热量对于地源热泵系统方案设计非常简便易懂，可以便捷的得到设计负荷下的系统总埋管量、钻孔数量。

2.2 两种测试设备设计的共同点与不同点

从原理上分析，所需采集的基础数据都有进出口温度，流量，加载功率，结构上都有加热水箱，水泵，和稳定电压的稳压器，不同点是它们需要恒定控制物理量不同。

恒功率法在恒定加热功率下，通过温度分布来计算岩土的热物性参数，对应的原理为常热流的线热流理论和圆柱热源理论，设计中重点控制要素恒定加载功率和的恒定水泵转速。恒温法热响应测试设备设计控制要素是恒定的进水温度，，对应的原理为变热流的线热源理论和圆柱热源理论。

现场测试中一般需要预置控制参数：恒功率法预置加载恒定功率，恒温法测试预置目标恒定温度。恒功率法测试通常在一个测试点要进行低功率、高功率测试，手段是用可调电阻控制可控硅达到功率预置。恒温度法则控制进出口水温恒定，手段是用PID控制可控硅达到恒温预置。

两种设备的结构共同点：通过稳定热响应设备的电压，达到稳定的功率和稳定水泵转速、稳定进出口温差。可控硅是它们共同元件。

2.2.1 满足两种测试的热响应测试仪的控制设计

列出两种设备主要结构元件，作出分析表1，经过表中统计，能看出，仅有可控硅的控制源元件不同，恒功率法用可调电阻便可控制可控硅，恒温法则采用PID（也可选用PLC）来控制，

由分析表1看出将两种设备的功能合二为一的可行性，在电路中加入K1、K2两只切换开关，便可以在一台机实现两种测试功能切换控制。控制原理图见图1中图（3）两种功能切换靠K1、K2来实现的，当用恒功率法测试时，闭合K2，让K1开路，用10KΩ的可调电阻控制的加热器加载功率。当要用恒温法测试时，让K2置于开路状态，闭合K1，此时可控硅受控于PLC，PID参数自整定功能的智能调节器 （intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现模糊控制。被控温度在设定的目标温度值附近振荡，开始时震荡幅度较大， 随后震荡值逐渐减小并无限逼近设定的目标值，最终到达稳定。

2.2.2 热响应设备测试中较为突出的问题及对策

设备输入电压影响不能忽视，场地搭接电压常有波动，对没有搭电条件的场地，则用发电机供电，电刷火花尖峰电压现象凸出，严重影响到功率曲线的平滑度，对热响应测试来说，不对输入电进行处理，测试数据误差较大，笔者对热响应测试设备加入滤波电路去除尖峰电压后再用稳压器稳定电压，实践证明，是非常行之有效的解决办法。

水泵与发热管运行中会产生空气，空气积累逐渐将加热水箱内水面压低，使电热管干烧，损坏电热管，还会使流量计的数据混乱，需要定时排气。设计必须考虑排气控制，笔者在设计中加入自动排气装置。没25分钟排3秒钟空气。

另外热响应测试设备用自来水作为换热介质，设计中在补水水箱中加入过滤器，确保了水质干净无渣滓。

3 结束语

就现状而言，岩土热响应测设备无论采用恒功率法还是恒温度法，都有一定的局限性，笔者所设计的满足两种测试功能的热响应测试设备设计上克服了以上部分问题，但还有一些问题尚未得到解决，还有待进一步研究改进，不断探索出新的设计思路。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部与中华人民共和国质量监督检验检疫总局，地源热泵系统工程技术规范2009年版（GB50366-2005）[S]. 2009.

[2]Mogensen P. Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages[A]. Proc Austin W， Yavuzturk C， Spitler J D. Development of an Insitu system for measuring ground thermal properties [J]. ASHRAE Transactions， 2000， 106（1）： 365-379.

[3]贾宇，李百战，丁勇，单金龙，规范中岩土初始平均温度测试方法的讨论[A].全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集（2） [C].2010.