地源热泵系统工程勘察热物性测试与岩土热物性测试仪应用.ppt

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1、地源热泵系统工程勘察热物性测试与岩土热物性测试仪应用 Still waters run deep.流流静静水深水深,人人静静心深心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望内容提要n以地源热泵系统工程技术规范（2009年版）为基本依据，介绍岩土（含回填材料）热物性的含义，测试意义，一般测试方法，传统方法与现场方法。温度场的测试方法，意义。不同工况换热孔单位孔深换热量及其局限。测试仪一般原理，结构，工程应用情况。n介绍分析国内外研究现状与趋势，结合本单位研发与测试经历，对部分关键问题进行探讨，对今后热物性测试及其测试仪研发提出意见与建议

2、。n主要内容n1 地下岩土热物性分析与现场测定方法n2 国内外发展现状与趋势n3 关键问题探讨 1 地下岩土的热物性分析与现场测定方法n1.1 地下岩土的热物性及其测试意义n地埋管地源热泵（土壤源热泵）设计时的一个重要参数就是系统埋管或钻孔总长度。它主要决定系统供冷供热能力或容量。埋管不足，将使空调效果得不到保证。埋管过多，将增大初投资。n而影响埋管长度的主要因素有：岩土热物性参数、岩土初始平均温度、回填材料性质、埋管管材、换热介质流速、温度、空调冷热负荷规律，等。其中岩土热物性参数是影响最大的因素。正确确定岩土热物性参数对地源热泵设计意义重大。n岩土热物性参数包括岩土导热系数、岩土（体积）比

3、热容。热扩散系数可由导热系数与容积比热容确定。一般均无现成数据，且各地区，同一地区不同场地差异明显，应采用具体测试方法获得。误估导热系数可能产生的后果误估导热系数可能产生的后果 n国外研究统计分析发现：n25%的样本估计的导热系数过大，意味着需要根据热响应实验重新调整设计；n65%的样本导热系数估计偏小，如果采用热响应实验可以降低投资；n只有10%估计值和测量值比较接近。n总体上，45%的估计导热系数与测量值偏差大于0.5 W/m/K。n1.2 地下岩土热物性测试方法n1 总体要求 n1）测试孔数量确定 n国外对商用和公用建筑应用地埋管地源热泵系统的技术要求，应用建筑面积小于3000m2时至少

4、设置一个测试孔进行岩土热响应试验。结合我国国情，规范规定：n建筑面积（m2）测试孔数量 n面积 3000 0n3000 面积 5000 01n5000面积10000 1n面积10000 2n备注：以下情况特殊处理n 1）成孔方案不同时，应分别测试。n2）埋管区域较分散，或场区地质条件差异性大。应分别测试。n2）岩土热物性测试主要目的n 获得岩土初始平均温度，岩土综合导热系数、综合比热容。3）测试报告内容 n1项目概况；n2测试方案；n3参考标准；n4测试过程中参数的连续记录，应包括：循环水流量、加热功率、地埋管换热器的进出口水温；n5项目所在地岩土柱状图；n6岩土热物性参数；n7测试条件下，钻

5、孔单位延米换热量参考值。n4)测试过程控制要求 n电源稳定（配稳压设备），测试孔施工单位须有资质，连接管外露部分须保温（保温层厚度10mm），其它须遵守国家地方有关规范规定。n2 测试仪器 n1）应通过法定计量部门检定。有效期一年。n2）精度要求 n1 在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于1%。n2 流量的测量误差不应大于1%。n3 温度的测量误差不应大于0.2。n3 岩土热响应实验方法n1）现场测试条件n、平整测试孔周边场地，提供水电接驳点；n、测试现场应提供满足测试仪器所需的、稳定的电源。对于输入电压受外界影响有波动的，电压波动的偏差不应超过5；n、测试现场应为测试仪器提供有

6、效的防雨、防雷电等安全防护措施。防止测试设备受日晒雨淋的影响，造成测试元件的损坏，影响测试结果。n、测试孔，符合地源热泵系统工程技术规范要求，地埋管换热器连接正确，无渗漏，试压正常，地埋管中注满符合规范要求的循环水。n2)测试步骤nA)制作测试孔。平整周边土地。nB）土壤初始温度测试。（详见 地源热泵地下换热系统温度场的测试分析）nC）岩土热响应测试 na)测试孔（槽）周边场地平整，提供水电接驳点 nb)测试仪器与测试孔（槽）的管道连接，连接应减少弯头、变径，连接管外n露部分应保温；nc)测试孔完成并放置48小时以上（水泥基料为回填材料时，干燥过程会放热，宜放置十天以上）。根据现场及设计条件，

7、进行钻孔试验，合理选择试验钻孔位置，尽可能排除扰动因素，降低试验误差；nd)水平管长度尽量不超过50mm，采用橡塑保温，厚度不小于10mm；ne)在水电等外部设备连接完毕后，应对测试设备本身以及外部设备的连接再次进行检查；nf)连接管道的隔热保温：从试验台到地埋管的水平连接管道进行保温隔热，减小环境对管内循环水的传热影响。ng)连续测试记录地埋管换热器的进出口循环水的温度、水流量以及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率；nh)向测试孔施加加热功率稳定后，测试持续时间约48h。ni)地埋管换热器内流速不低于0.2m/s，地埋管换热器的出水温度高于岩土初始温度5；nj)记录加热功率、水温、流量等

8、试验数据，计算导出岩土热物性参数，按照获得的岩土热物性参数利用专业软件计算各设计工况下的土壤换热器取放热量。n3）岩土综合热物性参数计算方法n 岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热或是取热试验，其数据处理过程基本相同（仍在研究）。因此规范中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。n现有的主要计算方法，是利用反算法（反演方法）推导出岩土热物性参数。其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和 取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。其中，Tcal,i为第i时刻由模型计算出的埋管内流体的平均温度；Texp,i为第

9、i时刻实际测量的埋管中流体的平均温度；N为试验测量的数据的组数。也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。n规范给出一种适用于单U形竖直地埋管换热器的分析方法，以供参考。n地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔内的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔内的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环介质温度沿流程不断变化，循环介质平均温度可认为是埋管出入口温度的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质

10、中的非稳态传热过程。在定加热功率的条件下：钻孔内传热过程及热阻n钻孔内两根埋管单位长度的热流密度分别为q1和q2，根据线性叠加原理有：n式中Tf1,Tf2分别为两根埋管内流体温度（）；Tb钻孔壁温度（）；R1,R2分别看作是两根管子独立存在时与钻孔壁之间的热阻（mK/W）；R12两根管子之间的热阻（mK/W）。（注解：与刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术，高等教育出版社，2006。一书结论对照，(C.3.8-3)式 中括号内第一项应为1.3换热孔单位延米换热量的获得n在方案阶段，设计单位希望了解单位延米换热量，以了解可行性，及做系统初步方案，为照顾部分设计者的习惯，规范提出测试报告内容包括单位

11、延米换热量。可用以下方法获得单位延米换热量。但此值是在一定工况下获得。尤其是第二种方法，忽略了实际运行时长期地下土壤温度与测试期间温度差异很大因素，故误差较大。不宜作为具体设计用。n方法1 n利用热响应实验（定功率），测试获得综合导热系数，综合比热容，利用有关模型（如规范附录B）计算获得总孔深（或管长），然后折算为单位延米（孔深）换热量。n方法2 n利用定出水温度（定温法），直接测试获得一定工况下，测试孔单位延米（孔深）换热量。n测试仪：电加热式换热量测试仪（或风冷热泵式换热量测试仪）n电加热式测试仪由以下部分组成：电加热器、保温水箱、循环水泵、循环管道、流量、温度、功率传感器、数据采集系统、

12、计算分析软件。（风冷热泵式换热量测试仪除增加风冷热泵相关部件外，其余基本与电加热式相同。）n原理为：电加热器加热保温水箱中的水，水泵驱动水流至地下埋管中，通过埋管与土壤换热后又回到水箱中。记录进出水温度、流量、功率，可以计算得到该测试孔的换热量。n1.4 地源热泵地下换热系统温度场的测试分析n地下岩土初始温度是岩土热物性测试中的重要内容，它是设计地下换热系统的重要参数。测试方法有两种。待钻孔结束，钻孔内岩土温度恢复至岩土初始温度后，采用下列方法：n方法1：可采用在钻孔内不同深度分别埋设温度传感器（如铂电阻温度探头）。n方法2：将仪器的水路循环部分与所要测试地换热器连接，形成闭合环路，通过循环水

13、泵驱动闭合环路里的液体不断循环，待测试系统稳定后记录液体的温度值。n方法1更准确，造价高一些。n地源热泵运行期间与运行季后的地下温度场是考察系统运行环境的重要参数，一般要求设置相应监测系统。在地下埋管区域代表性位置不同深度埋设传感元件（热电偶等），持续监测地下土壤温度，如发现与初始温度偏差过大，应分析原因，采取相关措施，以保证系统正常运行。2 热响应试验国内外发展现状与趋势n中国地质环境监测院和地温专委会于2009年3月7日在北京联合召开了“地埋管换热器热响应试验测试仪应用研讨会”。n参加会议的有全国10多家拥有测试仪器的单位，其中包括北京地质勘查技术院、吉林大学、中航勘察设计研究院、河北工业

14、大学、中国建筑科学研究院、山东建筑大学、北京工业大学、华中科技大学、北京枫叶能源科技有限公司、天津地热勘查开发设计院、上海地矿工程勘察院和浙江省工程物探勘察院。参加会议的还有中国标准化研究院、中国地质科学院水文地质环境地质研究所、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、长安大学、北京恒有源科技发展有限公司、河南省地热研究院有限公司、浙江省地质调查院，地源热泵领域的老专家吴元炜教授、丁良士教授以及暖通空调和地质学专业的产学研的专家、代表共40多人。会议对地埋管换热器热响应试验测试仪的研制、应用、规范和存在的问题等方面进行深入热烈的讨论。n目前国内对地埋管换热器换热测试设备没有统一的规定，名称也各

15、不相同，常见的有：n 土壤热物性测试仪 n 岩土热物性测试仪 n 热响应测试仪 n 浅层地热能冷、热响应测试仪 n 浅层岩土体热物理性能原位测试仪 n国内当前使用的仪器设备大部分为自行研制，各种技术指标存在较大差别。为了使仪器设备发挥正常功能，为地源热泵工程设计提供较准确的数据，有必要对测试仪器设备，测试数据校核标准、以及提交报告内容等进行规范。会议对测试技术的发展、现状以及存在的问题进行了广泛的探讨。n2.1.国内外测试技术发展现状 n（1）国际发展现状；在20世纪80年代以前，研究地热能的技术人员通常在钻孔中采集岩土样品，实验室中通过稳态测试法确定平均导热系数。这种方法在国际地热协会的多项

16、研究课题中得以应用。虽然上述过程在取样、分析中误差较大，但仍然广为应用。随后又提出瞬态测量的探针法确定岩土体的平均导热系数，这在一定程度上减小了测量时间和测量误差。然而，在一些实际工程应用中，探针法在测量区域和测量深度上都存在局限性，其数据的重复性和可靠性都不理想。20世纪80年代中期以后，随着地源热泵技术在一些欧美国家的推广应用，岩土体热物性测试技术，即野外现场原位测试技术应运而生。1983年，瑞典Morgenson就把这种测试土壤传热特性的方法定义为“热响应”。n1995年开始建设测试实验。1996年，Eklof与Gehlin利用同样的方法探讨并设计出一套可移动的测试设备，研制了第一台测试

17、设备TED。根据热响应原理，就可以估计出土壤的热容。Gehlin与Nordell利用这套可移动的测试设备，对瑞士各地的土壤传热特性进行测试，于1998年公布了他们测试的土壤传热特性数据，并应用于地源热泵工程。随后德国、美国、加拿大、荷兰、瑞士、挪威、英国、土耳其、韩国等国家相继开发了多样形式的测试装置（如便携式、车载式等），积累了丰富的实践经验和大量的数据。n仪器设备的形式多数为车载（或拖车）式，随车运输方便，自身可携带发电机等辅助设备，但在车辆不能通过的地带受到限制。中型箱柜式使用时，需车辆运输并人工（或机械吊运）搬运到现场，场地不受限制。便携式测试仪体积小，携带方便，操作简单，不受场地影响

18、，但易受外界温度影响。国际能源组织蓄能节能委员会国际能源组织蓄能节能委员会2007年年11月启动的月启动的“热响热响应实验应实验”研究研究1：热响应实验最新状况研究：热响应实验最新状况研究在世界范围内开展热响应实验在世界范围内开展热响应实验最新水平的调查，包最新水平的调查，包括热响应实验类型，在不同的国家是如何括热响应实验类型，在不同的国家是如何进行进行的。的。热响应实验目的，诸如确定设计参数，研究和开发、质量控热响应实验目的，诸如确定设计参数，研究和开发、质量控制、故障分析等；制、故障分析等；潜在应用领域，如钻孔换热器，桩埋管换热器、水平地埋潜在应用领域，如钻孔换热器，桩埋管换热器、水平地埋

19、管换热器。管换热器。不同国家应用的实验设备；不同国家应用的实验设备；测试规程，如热量释放或提取热量；测试规程，如热量释放或提取热量；计算模型计算模型解析或数值模型；解析或数值模型；热响应实验的基础热响应实验的基础更多理论背景；更多理论背景；2：新发展：新发展 鉴于各国进行研究，确定进行新的技术开发为主要课题。鉴于各国进行研究，确定进行新的技术开发为主要课题。强化合作将会避免重复工作并增大成功机会。开发重点：强化合作将会避免重复工作并增大成功机会。开发重点：地下初始温度确定方法：地下初始温度确定方法：测试中采用光纤温度测量装置；测试中采用光纤温度测量装置；地下水的影响地下水的影响钻孔同时进行热响

20、应实验（瑞典最早提出该想法）钻孔同时进行热响应实验（瑞典最早提出该想法）特殊几何形状体的热响应实验，例如桩基埋管、水平埋管特殊几何形状体的热响应实验，例如桩基埋管、水平埋管3：评价方法和发展：评价方法和发展1.测试设备的比较测试设备的比较不同的测试设备可比较其技术参数，例如传感器、数据采不同的测试设备可比较其技术参数，例如传感器、数据采集和控制策略。最好在一个地点的同一个钻孔内进行测试集和控制策略。最好在一个地点的同一个钻孔内进行测试设备的比较。设备的比较。2.测试程序的比较测试程序的比较3.参数估计方法的比较参数估计方法的比较4.自动参数估计软件自动参数估计软件筹划开发一个能被所有参与国家使

21、用的通用参数估计工具。筹划开发一个能被所有参与国家使用的通用参数估计工具。5.根据参考测试数据比较参数估计方法根据参考测试数据比较参数估计方法提供一组统一数据，邀请所有国家采用自己的方法测试对提供一组统一数据，邀请所有国家采用自己的方法测试对其进行参数估计计算。其进行参数估计计算。3：评价方法和发展：评价方法和发展6.对比热对比热Cp进行参数估计进行参数估计由于所有地热系统的设计中都需要地下岩土的比热，为此由于所有地热系统的设计中都需要地下岩土的比热，为此应该考虑改进测试方法应该考虑改进测试方法.7测试过程中进行参数估计测试过程中进行参数估计在测试过程中同时进行自动连续的参数估计将非常有利于在

22、测试过程中同时进行自动连续的参数估计将非常有利于确定测试时间。确定测试时间。8.建立基于热响应实验基础上的系统设计模型建立基于热响应实验基础上的系统设计模型在设计和模拟计算中使用与热响应实验相同的模型在设计和模拟计算中使用与热响应实验相同的模型4：标准热响应实验标准规程：标准热响应实验标准规程 德德国国、加加拿拿大大、美美国国等等一一些些国国家家已已经经制制订订了了指指导导地地源源热热泵泵系系统统或或钻钻孔孔蓄蓄热热系系统统的的埋埋管管换换热热器器设设计计和和施施工工规规范范和和标标准准。但但这这些些标标准准或或规规范范中中涉涉及及热热响响应应实实验验的的要要求求都都不不够够详详细细。各各个个

23、国国家家提提供供的的测测试试经经验验也也显显示示在在测测试试质质量量方方面面存存在在显显著著差差别别，且且不不同同的的测测试试没没有有可可比比性性。这这都都会会影影响响到到设设计计和和规规划划，甚甚至至可可能能导导致致系系统统不不能能正正常常工工作作。因因此此对对测测试试结结果果进进行行高高质量比较需要一个被广泛认可的标准。质量比较需要一个被广泛认可的标准。n建立一个世界范围的热响应实验标准建立一个世界范围的热响应实验标准目目前前做做的的最最好好的的是是ASHREAASHREA的的测测试试标标准准，它它是是根根据据不不同同的的测测试试团团队队研研究究经经验而制定的。验而制定的。热热响响应应实实

24、验验不不仅仅在在设设计计的的时时候候起起到到关关键键的的作作用用，在在工工程程的的后后期期阶阶段段也也很很有有帮帮助助，例例如如试试运运行行、质质量量控控制制以以及及出出现现问问题题时时的的分分析析。因因此此必必须须制制定定针对上述这些用途的规范要求。针对上述这些用途的规范要求。测试设备连接示意图测试设备连接示意图 三代三代GeRT热热响应响应实验实验设备设备 n芬兰首台热响应试验设备的实践n能够对试验井施加一热流，并测量其温度响应，并在利比亚做了第一次热响应实验。n芬兰境内的结晶岩主要由花岗岩、片麻岩和其他变质沉淀物或变质火山岩组成，水分含量和基岩岩石孔隙度很低，基岩上层覆盖了大量的第四纪沉

25、积物，土壤层的厚度平均为8.6米，一般情况下土壤层厚度为34米(Salonen 等,2006)。芬兰境内地下水的深度通常约为24米，地表平均温度如图2所示。图3所示的是芬兰境内不同季节地表平均温度的曲线。芬兰境内的平均热流是0.037 W/m2，这远远低于大陆的平均值0.065 W/m2。地温梯度一般是815 K/km，芬兰境内不同季节地表平均温度的曲线图(Leppharju,2008)芬兰热响应试验装置。通过热响应实验分析确定地下水流速度通过热响应实验分析确定地下水流速度n采用三维有限差分模型描述钻孔埋管换热器传热过采用三维有限差分模型描述钻孔埋管换热器传热过程，利用参数估计法进行热响应实验

26、分析。程，利用参数估计法进行热响应实验分析。n据此确定地下水速度、岩土导热系数和钻孔热阻。据此确定地下水速度、岩土导热系数和钻孔热阻。n对低地下水流速和五天测试时间得到的测试数据进对低地下水流速和五天测试时间得到的测试数据进行参数估计得到地下水流速重复性较低。当流速较行参数估计得到地下水流速重复性较低。当流速较高时，能估计出比较可信的地下水流速高时，能估计出比较可信的地下水流速n只有对不小于某个最小地下水速度时采用这种方法只有对不小于某个最小地下水速度时采用这种方法才能得到比较准确的估计结果。才能得到比较准确的估计结果。n采用该方法对他人提供的热响应实验数据进行参数采用该方法对他人提供的热响应

27、实验数据进行参数估计，结果与现场测试和实验室结果一致估计，结果与现场测试和实验室结果一致对对U型埋管地热换热器进行的分布式热响应实验型埋管地热换热器进行的分布式热响应实验n分分布布式式热热响响应应实实验验（DTRT）：确确定定沿沿钻钻孔孔深深度度方方向的岩土导热系数和钻孔内热阻分布。向的岩土导热系数和钻孔内热阻分布。n对对一一个个260米米深深的的钻钻孔孔进进行行了了分分布布式式热热响响应应实实验验，井井中埋有中埋有U型埋管，管内循环液为乙醇水溶液。型埋管，管内循环液为乙醇水溶液。n温度分布测试则是将光缆插入温度分布测试则是将光缆插入U型管内进行。型管内进行。n测测试试分分四四个个阶阶段段：地

28、地下下工工况况未未受受扰扰动动阶阶段段、流流体体预预循环阶段、恒定功率加热阶段和钻孔恢复阶段。循环阶段、恒定功率加热阶段和钻孔恢复阶段。n采采用用线线热热源源模模型型描描述述钻钻孔孔换换热热器器换换热热过过程程。得得到到了了沿钻孔深度方向的流体温度分布。沿钻孔深度方向的流体温度分布。各各区区段段钻钻孔孔热热阻阻与与导导热热系系数数多级排热率的热响应试验多级排热率的热响应试验n试验方法试验方法在同一个试验中注入多个不同加热功率来进行测试。在同一个试验中注入多个不同加热功率来进行测试。n试验目的试验目的不同的排热率试验可分析地下水流动的影响不同的排热率试验可分析地下水流动的影响两钻孔密实的岩土层（

29、两钻孔密实的岩土层（S）与裂缝岩土层（）与裂缝岩土层（F）n试验结果试验结果对流换热对两个钻孔均产生明显影响，即降低了钻孔的热阻。对于裂隙类对流换热对两个钻孔均产生明显影响，即降低了钻孔的热阻。对于裂隙类岩石层，较高的排热率对应的导热系数也较高。岩石层，较高的排热率对应的导热系数也较高。增大加热功率可提高地下水的密度差，进而导致较大的水流动。增大加热功率可提高地下水的密度差，进而导致较大的水流动。不同排热率下的有效岩土导热系数不同排热率下的有效岩土导热系数光导纤维测温仪在热响应试验中的光导纤维测温仪在热响应试验中的应用应用n试验方法试验方法采采用用光光导导纤纤维维测测温温仪仪对对深深76m的的

30、U型型钻钻孔孔竖竖直直方方向向的的温温度度分分布布进进行行测测量量，根根据据测测得得的的温温度度分分布布计计算算岩岩土土竖竖直直方方向向的的导导热热系数分布系数分布n试验结果试验结果测测得得的的载载热热流流体体的的垂垂直直温温度度分分布布和和出出口口温温度度值值与与通通过过具具有有圆圆柱柱面面热热源源方方程程的的多多层层地地质质模模型型模模拟拟结结果果吻吻合合。计计算算所所得得的的导导热系数分布与当地地质参数一致。热系数分布与当地地质参数一致。n（2）国内发展现状；2000年之后，我国有关科研院所和企业单位也先后开始研制岩土体热物性测试仪，个别企业从国外引进热物性参数测试仪，据不完全统计目前已

31、有13家拥有这种仪器。其中，山东建筑大学的为便携式测试仪，中国建筑科学研究院、际高公司、北京工业大学、北京枫叶能源科技有限公司、河北工业大学、华中科技大学(分别有便携式和箱柜式)、南京丰盛能源环境科技发展有限公司的为箱柜式，北京地质勘查技术院、吉林大学、中航勘察设计研究院、天津地热开发设计院、上海地矿工程勘察院、浙江省工程物探勘察院为车载式。其性能各有特点，它们在地源热泵工程设计中发挥了很大的作用。测试仪一和测试仪二的系统图见图1、图2n2.2.测试问题 n（1）测试内容；测试仪器都是要测得地埋管内的循环水进出口温度与流量随测量时间的变化。这一点是共同的。但经过进一步的计算（或者说是计算方法）

32、，一种方法测试计算得出导热系数（进一步利用软件可计算系统所需“地埋管总长度”），另一种方法测试计算得出“单位延米换热量”。n（2）测试工况；许多科研院所和企业单位都设计了冷/热双工况的岩土体热物性测试仪，评价岩土体与地埋管换热器之间的换热能力。此外，测试工况的有效性可以通过拟合“延米换热量-流体平均温度”曲线来衡量。理论上，上述关系呈线性变化。如果实验数据偏离线性较远，需要补做实验。一般而言，在正常情况下，至少要分别进行二个排热工况和取热工况。n另一部分代表认为，进行热工况或冷工况试验所取得的参数差别不大。因此，没有必要进行两种工况的试验。而且，开展两种工况的试验要延续较长的时间。国际上一般采

33、用热工况试验就可以求得物性参数，满足地源热泵系统设计要求。n（3）测试方法；岩土体热物性测试采用“恒热流法”，即通过电加热器提供一个稳定的加热功率，记录进出口温度随时间的变化。在地埋管换热器与土壤的传热过程中，管内流体进出口温度逐渐升高，经历足够长时间后趋向于稳定状态。根据上述动态变化数据，经过一定的数学模型处理后，可以获得当地岩土体的平均导热系数。采用恒功率的电加热，仪器的结构和控制都比较简单，测试精度也比较容易保证。这种方法主要可用来确定岩土层的综合导热系数以及钻孔内的热阻。得到岩土热物性数据后，按设计规范计算得到地埋管换热器的总长度。采用“恒热流法”确定岩土层的热物性是国际地源热泵协会（

34、IGSHPA）的标准和美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）手册所推荐的方法，也是国际上通行的做法和我国规范认可的方法。n另一种方法是“稳定工况”或“恒温法”，冷热源建立稳定地埋管换热器运行工况（进水温度和流量为某一定值），根据岩土体的冷、热响应情况逐渐稳定冷、热源的冷量或热量输出（出水温度和流量），可直观获得每米换热量。这种方法的主要目标是确定在“稳定”状态下每米钻孔的传热量。n“恒热流法”是通过导热系数计算孔（或地埋管）长度方法，计算较复杂。但结果更准确，推荐设计时采用。n“恒温法”计算比较简单、容易掌握，可以直接确定单位米数换热量值，方便设计单位使用。但这种方法忽略了包括换热能力随

35、时间变化等因素，误差较大，可作为方案估计时采用。这种方法的关键问题是测试得到的单位延米换热量是地下土壤温度是系统最初运行时的值。而一个运行季上百天后，地下土壤温度变化明显，排热工况是上升，必然导致单位延米换热量的逐渐衰减。吸热工况温度下降，也导致单位延米换热量的逐渐衰减。用测试两天的换热量代表，将导致换热量指标偏大。n2.3.规范中的测试问题 n在规范中C.4.9“岩土热物性测试报告”内容6中提到“钻孔单位延米换热量参考值；”对于获得这个值的方法，一些代表提出疑义，认为与测试热物性的方法有矛盾。建议此修改过的规范应先试行一段时间，再经过实践，对问题进行修改后正式执行。n2.4.测试工作的隶属问

36、题 n目前科研、院校、设计、勘察、施工（集成商）等单位都有测试仪器，并开展工程测试工作。大部分设备是为本单位的工程服务，缺少监督机制。为了保证数据的客观公正性，测试工作应由独立于设计、施工（集成商）以及工程甲方以外的单位执行，按规范要求使用经过检定的仪器仪表测试。n2.5.标准化问题；n有专家提出：目前建立“标准地质孔”难度较大，但可以建立人工环境，在实验室建立用人造材料模拟地下换热器的工作环境，对测试仪器进行校核与标定，以解决地下环境的多种不确定因素影响测试仪器的校核与标定。为了得到可靠的数据，需要对“恒热流法”试验的条件进行规范。n由于测试仪器属近几年出现的新仪器，国家相关的规程和条文不够

37、具体。根据当前地源热泵技术的快速发展，需要制定统一的测试仪器数据标准技术规范.n二、建立完善的标准体系。n建议探讨制定以下类别的标准：n测试设备标准。对设备提出技术要求，如功能、仪表的准确度等。n测试方法标准。重点是规定测试工况、测试方法、计算模型、测试报告格式等。n监测类标准。地源热泵系统的长期性能监测目前十分欠缺与薄弱。应研究制定监测标准，推广监测工作。深刻认识监测与系统长期正常运行及发现问题有重要意义。现在各地都有节能监测部门，各级主管部门都落实了节能目标。今后，国家对各省市都会定期进行节能指标评估。通过标准这个工具，可以使监督检查落到实处。n笔者观点：n鼓励研究、探讨岩土热物性测试相关

38、问题。为规范今后的完善提供基础。n实际工作中，搁置争议，严格按现有规范操作。（规范中未明确的，参考国际国内研究结果与经验。）3 部分关键问题探讨n1）测试影响因素n2）单位延米换热量问题 n3）岩土综合比热容的确定n4）国内目前存在的几个问题n测试影响因素n测试时间n功率n测试气候环境n仪表误差n取热放热n测试时间 n持续时间：48小时 n钻孔完成后 至少2天，回填料为水泥时，10日以上。n测试一个孔完成后，再次测试需1012天后。因供电等原因中断后，视中断时间按大致比例需延迟时间。n数据取用时间，应去掉最初若干小时的数据，一般为10小时左右。n功率n测试功率应平稳。宜配置稳压器。n功率大小应

39、适当。研究表明过小过大功率不利全面反映岩土热响应特性。一般以峰值排热率左右为宜。4070W/m。n测试气候环境 气候环境将对测试仪与钻孔内U形管的连接管（孔外），必须做好保温隔热。过热过冷气候将加大室外与连接管内流体的热传递量，使得公式中的q与实际散发到岩土中的热量有差异。从而加大测试误差。如大雨将可能加大渗入孔内水量，改变流体温度。影响测试结果，应做好孔的密封。n仪表误差n流量，温度，功率仪表误差对结果影响较大。每年需校准检定。n取热放热：n主要体现在地下岩土的温度场有差别，从而影响导热系数值，有关研究表明，导热系数取热时比放热试验约低3%。n故规范规定仅进行放热实验。n单位延米换热量 n

40、无论是使用导热系数、比热容利用模型计算获得总管长，还是利用稳态方法（定温）测得换热量，都是在一定工况下的数据，不能直接套用在设计中。n目前设计院喜欢用测试提供的单位延米换热量指标直接设计，是不合规范要求的。应根据设计参数利用模型或软件计算总管长。n一些参数的选取，如进出埋管的介质温度，供冷供热时间对管长均有较大影响。n比热容的确定 n规范规定热物性参数包括岩土综合导热系数，岩土综合比热容。n根据线热源与柱热源方法，确定比热容可用双参数估计法，或用当地一般经验数据估计，如采用估计，可能造成误差。比热容对管长的影响较小，但误差较大时，仍有影响。建议尽量采用双参数估计法计算确定。n岩土综合导热系数与

41、系统（换热器、地下）综合传热系数的区别n有的测试用定温度法测得单孔总换热量后，用此换热量除以管内流体平均温度与土壤原始温度的差值，得到综合传热系数，作为测试的岩土热物性。原理是，根据定出水温度方法测试，计算获得钻孔总换热量，再由下式获得换热器综合传热系数K。n这是对岩土热物性概念的误导。n岩土综合导热系数反映岩土的导热性能，基本不随土壤温度及设计参数变化。n因流体与岩土间的传热是非稳态的，系统综合传热系数与土壤温度、流体温度等设计参数关联度大，与单位延米换热量一样，不是一个常量。不能作为一个定值作为设计依据。n4 国内目前存在的几个问题n1）应该测试的没有测n估计有相当部分按规范应测试的没有进

42、行岩土热物性测试，有的工程还写成论文发表（估计换热量值）。n2）有的没有用规范的方法测试n如直接测试换热量；仪表未检定；测试时间不足；成孔后放置时间不足；中途停顿后间隔时间不足；数据处理不规范；等等。n不少技术力量不足的单位纷纷（拟）加入测试队伍，给规范操作带来隐患。建议由高校、研究机构、技术力量强的企业为主从事相关测试。n3）未正确使用测试结果n如设计单位仅使用单位延米换热量值直接设计而不再根据设计工况重新计算，测得的导热系数与比热容成了摆设。n规范要求提供单位延米换热量实际有较大弊端，既增加测试工作量（可用计算代替），又给后续不规范使用结果设计提供便利。n上述问题是测试、设计单位不重视规范遵守，不注意学习，图轻松的表现，也是有关审查单位缺乏监管的表现。n希望测试、设计、施工、业主、审查单位认真学习熟悉规范，遵守规范。否则将严重影响该项技术的使用效果与健康发展。谢谢！