第１０卷第５期 制冷与空调 ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ—Ｃ０ＮＤＩＴ１０ＮＩＮＧ ２ ０ １ ０年１ ０月 岩土热响应测试仪的开发与应用 李永 王智超 李效禹 张自强 金结 （中国建筑科学研究院） 摘要开发一套岩土热响应测试仪．介绍其原理与组成，以及配套开发的控制软件、数据采集软件、数据 处理软件的功能和使用方法。使用所开发的仪器进行现场实测，测试结果表明，该设备及配套软件完全达 到预期性能指标，能够在今后对外开展岩土热响应试验的工作。 关键词热响应试验；岩土热物性；地源热泵；现场测试 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ—ｓｏｉｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｅｓｔｅｒ Ｌｉ Ｙｏｎｇ Ｗａｎｇ Ｚｈｉｅｈａｏ Ｌｉ Ｘｉａｏｙｕ Ｚｈａｎｇ Ｚｉｑｉａｎｇ Ｊｉｎ Ｚｈｅ （Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｓ ａ ｒｏｃｋ—ｓｏｉｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｅｓｔｅｒ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｅｓｔｅｒ，ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｅｓｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｏｃｋ－ｓｏｉｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｅｓｔ ｗｏｒｋ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｅｓｔ；ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ—ｓｏｉｌ；ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ 地源热泵技术是一项高效节能、有利于环境 保护和可持续发展的空调冷热源技术ｒ－ 。地下岩 的方法＿３］。笔者根据规范要求研制的岩土热响应 测试仪，以及相关的数据采集和数据处理软件的 功能，并应用该测试仪进行现场测试，对测试数据 进行分析。 １测试仪原理与功能 土热物性参数是设计地源热泵系统地埋管换热器 的基础数据。目前，国内许多单位在实际的地源 热泵系统设计中，简单地按照每延米换热量进行 地埋管换热器的设计。随着对地源热泵系统研究 及应用的不断深入，此方法的弊端逐渐显露出来，因 图１所示为测试仪原理图。该测试仪主要由 电加热器、循环水泵、温度传感器、压力传感器、电 为无法确定机组在峰值负荷下的运行参数，也就不 能选取合适的机组来匹配地埋管换热器系统，无法 判断地下吸、放热的不平衡对系统造成的影响，这样 不但给地源热泵系统的长期稳定运行埋下了很多隐 患，而且增加了系统的初投资。Ｋａｖａｎａｕｇｈ的研究 表明，当地下岩土体的导热系数有１（）９／６的偏差时， 设计的地埋管换热器长度偏差为４．５ ～５．ｓ％０ Ｅ２Ｊ。 所以准确测试岩土热物性参数已成为地埋管换热器 设计的关键问题。 ＧＢ ５（）３６６—２００５（２００９年版）《地源热泵系统 工程技术规范》提出了一套进行岩土热响应试验 收稿日期：２０１０ ０３ ２４ 通信作者：李永，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｙｏｎｇ＠ｎｃｓａ．ｃｎ 图１ 岩土热响应测试仪原理图 第５期 李永等：岩土热响应测试仪的开发与应用 磁流量计、电量变送器和电压控制模块以及数据 采集和控制系统组成。 使用时，测试仪中的管路与地埋管换热器的 地下回路连接，循环水泵驱动载热流体在回路中 循环流动，载热流体经过加热器加热后流经地下 回路，并与地下岩土进行换热，连续测试并记录地 埋管换热器出入口流体温度、流量等数据。图２所 示为所开发的岩土热响应测试仪的外观图。该装 置主要部件的参数如表１所示。 图２岩土热响应测试仪外观图 表１ 岩土热响应测试仪主要零部件及技术参数 名称 技术参数 离心式循环水泵 流量：２．５ ｒｎｊ／ｈ；扬程：１５ ｍ；功率：０．３７ ｋＷ 电加热器 １２ ｋＷ 电量变送器 ３８０ Ｖ，３相，精度０．２级 电磁流量计 Ｉ］Ｎ１５涡轮，（Ｉ ６－－－６ ／ｈ，４＂－－－２｛）ｍＡ输出，精度ｎ ５％０ 压力传感器 ０￣２００ ｋＰａ，４～２０ ｍＡ输出，０．５ 精度 温度传感器 Ａ级， 电缆，ＰＴ１００热电阻，加混流器 所开发的岩土热响应测试仪具有精度高、运行 稳定、操作方便的特点，配套开发的数据采集与控制 软件，在将项目相关参数和加热功率以及数据采集 周期输人后，便能够实现测试时的无人值守。加热 功率由高精度的功率调节模块和电能计量模块实时 监控，系统通过ＰＩＤ调节，严格地实现系统的恒热流 输出，同时该控制方式可以很方便地实现无级调节。 试验过程中，可以查询各参数的实时监测曲线，以确 保试验结果的准确性；试验结束后，可以将试验数据 和各个参数的变化曲线导出。系统还配置了声光报 警，在加热器内水温过高或整个试验系统缺水时，报 警便会启动，以及时排除故障。数据采集和控制软 件相关界面参见图３和图４。 图３相关参数输入界面 图４数据采集与控制界面 ２岩土热物性计算方法 岩土热响应试验要确定的参数包括岩土体初始 平均温度、地埋管换热器周围岩土体导热系数及钻 孔内热阻。ＧＢ ５０３６６－－２００５［３］要求在测试完毕后， 应将测试孔至少放置４８ ｈ以上，使测试孔内温度逐 渐恢复至与周围岩土体温度一致。在热响应试验开 始时，首先启动循环水泵，进行１ ｈ的零加热功率试 验，最后一个时刻所采集的地埋管换热器进、出水温 度的平均值为岩土体初始平均温度。之后，系统将 自动按设定的加热功率进行加热，并按设定时间间 隔连续记录数据，直至试验结束。 关于岩土体的导热系数，放等ｌ＿４］比较了线 热源斜率法、双参数估计法和三维数值模型法３种 岩土体热物性计算方法，认为３种热物性确定方法 结果基本接近，比热容对导热系数影响很小，对钻 孔热阻有一定影响。按照ＧＢ ５０３６６－－２００５ｌ３］提出 的线热源模型假设，由于测试初期实际埋管孔内 传热并不符合假定，即会受换热管和回填材料导 热系数、管位置、问距等的影响，甚至可能尚未发 生填埋孔与岩土的热交换。显然，开始测得的数 据对于参数估计具有不良影响。已有研究表明， 舍弃１０ ｈ数据能够满足假设［５］。笔者采用了线热 源斜率法计算岩土体导热系数（具体计算过程不 再赘述），并开发了相应的数据处理软件，软件界 面如图５所示。 制冷与空调 第１０卷 图５数据处理界面 ３现场测试及数据分析 由图６可以看出，当采用７ ｋＷ功率加热时， 本次岩土热响应试验钻孔直径为２００ ｍｍ，深 度为１００ ｍ，成孔后采用原浆进行回填。地埋管换 热器的规格为ＤＮ３２，单Ｕ管，材料为ＨＤＰＥ，壁厚 地埋管换热器进／出口水温近似稳定在２７．９℃／ ２５．６℃左右，温差维持在２．５℃左右。 由前面提到的计算岩土体导热系数的方法， 通过编制的岩土热响应试验数据处理软件，岩土 体容积比热容取２．３ ＭＪ／（ｍ３・Ｋ），可以计算出埋 管周围岩土体导热系数为１．８８９ Ｗ／（ｍ・Ｋ），此 为３ ｍｍ，长度与钻孔深度相同。 试验从２０１０年２月５日１８：０３开始，共持续 ４９ ｈ，加热功率设定为７ ｋＷ，数据记录周期为 １ ｍｉｎ。循环水泵流量为１．７７ ｍ３／ｈ，并且保持恒 定。试验开始时，首先经过１ ｈ零加热功率试验， 获得地下岩土初始平均温度为１４．０℃。试验期 问地埋管换器进、出水温度变化曲线如图６所示。 值为岩土体综合导热系数，考虑了地下水流动等 其他情况的影响。钻孔内平均热阻为０．１２４ ｍ・ Ｋ／Ｗ。 ４结论 岩土热物性参数是地源热泵系统设计的基础 数据，对其准确测量是保证系统优化设计的关键 所在。笔者开发了一套岩土热响应测试仪，并配 套开发了相关的控制软件，数据采集软件以及基 于线热源理论的数据处理软件。 利用所开发的岩土热响应测试仪进行了连续 ４９ ｈ的现场测试，测试期问设备运行稳定。测试 地点的岩土体导热系数为１．８８９ Ｗ／（ｍ・Ｋ），钻 时婀／ｒａｉｎ 孔内平均热阻为０．１２４ ｍ・Ｋ／Ｗ。 （上转第３８页） 图６地埋管换热器进、出水温度变化曲线 ・ ３８ ・ 制冷与空调 第１０卷 ３．５试验验证 实验数据均采用满足ＧＢ／Ｔ ７７２５－－２００４｛房 间空气调节器》关于房间空气调节器风量、噪声实 验要求的风室和半消声室测量得到。 对计算较好的综合方案制作样板在ＫＦＲ－３５Ｗ／ ＥＢ室外机上进行风量噪声试验，结果如表１所示。 表１导流圈综合方案风量噪声试验 图１１综合方案速度矢量图 ４结论 通过数值模拟和试验，得到影响导流圈型线 的几个因素： １）导流圈喉部直径越小，流量越大； ２）导流圈喉部直线段长度存在一最佳值使得 流量最大； ３）导流圈前导圆半径越大，流量越大，但增长 图ｌ２综合方案静压等值线图 趋势渐缓； ４）导流圈前导圆弧长所对应的圆心角越大， 流量越大，但增长趋势渐缓。 须要指出的是，导流圈特性与轴流风叶性能、 尺寸、相对位置密切相关，不同的风叶配合不同的 导流圈，会得到不同的导流圈最佳型线尺寸。 参考文献 ［１］ 昌泽舟．轴流式通风机实用技术．北京：机械工业出 版社，２００５． ［２５吴玉林，陈庆光，刘树红．通风机和压缩机．北京：清 华大学出版社，２００５． 图１３综合方案湍流强度等值线图 出出船嵌出坐靶船 业韭 船出啦船出坐船坐出船生出船逝出船业船逝业业逝出船 出业 业逝业 （下接第５４页） ｐｕｍｐ．ＡＳＨＲＡＥ Ｔｒａｎｓ，１９９８，１０４（２）：３４７—３５５． ［３］ＧＢ ５０３６６－－２００５地源热泵系统工程技术规范（２００９ 参考文献 年版）． ［１］李永．太阳能一土壤复合式地源热泵运行特性研究 ［４］放，雷飞，孙启明，等．岩土热物性测试影响因素 ［【）］．邯郸：河－ＩＬｌ程大学，２００７． 的研究．暖通空调，２００９，３９（３）：１２３—１２７． Ｅ２］Ｋａｖａｎａｕｇｈ Ｓ Ｐ．Ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｇｒｏｕｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐ— ［５］于明志，彭晓峰，方肇洪，等．基于线热源模型的地下岩土 ｅｒｔｉｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ 热物性测试方法太阳能学报，２００６，２７（３）：２７％２８３．
