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摘要：本研究针对目前国内外热响应测试仪所存在的问题，拟开发一种新型便携且精度高的直地埋管式热响应测试仪，为今后地源热泵技术的推广与应用提供有效的保障与技术支持。
关键词：热响应测试仪 地源热泵 垂直地埋管
0 引言
我国在2009年颁布的《地源热泵系统工程技术规范》中明确规定地埋管地源热泵系统方案设计前，应用建筑面积在3000m2～5000m2时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于5000m2时，应进行热响应试验。我国有关研究所和企业也开始研制岩土体热物性测试仪，它们在地源热泵工程设计中发挥了很大的作用。热响应测试设备从装载形式上可分为车载式、拖车式和便携式三类，从热（冷）源类型上可分为加热器型和热泵型两种。热响应测试仪运行时间长，循环液体加热设备为电加热方式，测试场地需保障电源供给；设备体积偏大，不利于移动，因此测试场所受到一定限制。
1 热响应测试仪的组成
如图1为该项目所研制岩土热物性测试仪原理图，包括：换热器、进水管、出水管、加热器、离心水泵、补水管、检测器、进水止回阀、两个温度计、两个水压计、流量计和温度传感器；其中，换热器埋设于岩土的钻孔中，其由外管和内管组成，外管底部封闭，内管设于外管内。（见图1）
2 测试方案
该测试在杭州萧山高教园区浙江建设职业技术学院内实施，采用的为恒定热流热响应测试方法。换热器埋设于岩土的钻孔中，其由外管和内管组成，外管底部封闭，内管设于外管内；外管顶部高度为地表面下-0.2m，外管和内管的尺寸分别为DN110和DN32，钻孔直径为200mm，深度为50m，换热器与钻孔壁间隙内采用细骨料填充。六个温度传感器埋设于换热器与钻孔内壁之间的空隙中，其根据埋管深度沿钻孔纵向均匀分布每隔10m设置一个（即地表面下0m、10m、20m、30m、40m和50m共计6个），并通过测温电缆供电。
3 测试结果分析
3.1 岩土的初始温度 初始温度有两种方法获得，一是在测试前不开启加热器让循环管内液体在设定的流量下循环20-30分钟左右，通过采集测试仪进出口的平均水温作为岩土的初始温度。图2为两种方法在同一时间段获得的岩土温度比较。图中的直线表示利用进出口温度计测得的平均温度，为20.8℃；破线表示通过测温电缆上不同深度埋设的温度计所测，平均值为20.0℃。两种方法获得的温度相差0.8℃，虽然误差不超过1℃，但地埋换热管在运行过程中进出口温差一般不超过5、6℃，所以利用进出口温差获得平均温度对后续计算有一定影响。
3.2 流量的时间变化 图3表示测试开始后套管式（空心四方实线）和单U形（空心三角实线）地埋管换热器流量的时间变化。通过图中数据，两种地埋管换热器在测试过程中波动幅度小，稳定性能良好。由于套管式地埋管换热器断面面积远大于单U，因此在启动同等频率水泵情况下，套管式地埋管換热器的流量比单U的要高出近1倍左右。
3.3 进出口平均温度的时间变化 图4表示套管式和单U形的热响应测试仪循环管路进出口平均水温的时间变化。□表示套管的进出口平均温度，△表示单U的进出口平均水温。此平均值为上节中进出口水温的平均，是计算后面导热系数的关键数据。图中两根实线则表示两种地埋管换热器的拟合曲线。同图4显示的结果一样，在运行开始至20小时内的平均温度为显著上升，此后基本保持横向平缓上升状态。这表明在20小时后，地埋管换热器处于稳定的换热状态。经过对两种地埋换热管的进出口平均温度的时间变化的拟合，即图中两根实线，分别得出拟合后的函数为：
套管：y=1.8232ln（x）+23.608
单U：y=1.4607ln（x）+23.689
即套管式地埋管换热器的k值为1.8232，单U的为1.4607。这样，可根据此值计算出岩土导热系数。另一方面，套管式和单U形的地埋管换热器拟合曲线的R2值分别为0.9733和0.9867，说明拟合性高，在测试过程中所测数据的稳定性好。
3.4 岩土热物性值 通过测试整理以上的数据，采用自编的解析软件进行热物性值计算，其结果归纳于以下表1中。
对套管式地埋管换热器进行热响应测试后的解析结果为，λs=1.47W/mK，ql=33.58W/m。单U形地埋管换热器的结果为λs=1.51W/mK，ql=27.58W/m。首先对岩土导热系数比较得出，两者的值相近，相差仅0.04W/mK，而且其值在公布的标准值的范围之内。因此可以说本热响应测试仪能够对套管和单U两种地埋换热管测试，应用应能良好。比较两者的换热量，相对而言，套管式地埋管的换热效果要优于单U。本次测试结果表明，套管式地埋管换热器的单位延米换热量比单U高出6W/m。结合上述的流量和进出口水温的温差值，套管式地埋管换热器流量大、温差小；单U地埋管换热器流量小、温差大。理论上影响地埋管换热器换热效果的原因主要有两个，换热面积与热流量，而套管式换热器换热面积要大于单U，在热响应试验时进出口的水温温差值也应大于单U，但结果刚好相反，其原因还有待进一步考证。因此可以分析出，在本次测试中套管式地埋管换热器的换热效果优的主要原因在于流量大。
4 结论
该项目针对目前国内外热响应测试仪所存在的问题，开发出一种新型便携且精度高的热响应测试仪，并验证了热响应测试仪的性能和评价不同地埋管换热器的换热性能。通过解析对进出口水温时间变化的拟合曲线得出R2值分别为0.9733和0.9867，说明拟合性高，在测试过程中所测数据的稳定性好；对套管式地埋管换热器进行热响应测试后的解析结果为，λs=1.47W/mK，ql=33.58W/m。单U形地埋管换热器的结果为λs=1.51W/mK，ql=27.58 W/m。
实验证明，该项目研发的热响应测试仪在实际应用过程中性能稳定，测试效果良好，不但可以作为实际工程测试之用，还可以作为地源热泵研究之用。
参考文献：
[1]彭清元，常桂钦，崔文智，廖全，陶嘉祥.基于线热源理论的岩土热响应测试研究现状[J].节能，2010（08）.
[2]宋建中，程海峰.无锡某地源热泵系统岩土热响应试验研究[J].中国水运（下半月），2012（01）.
[3]黄练红，沈泽，施恂根.岩土热响应测试及应用中的问题探讨[J].中国新技术新产品，2012（18）.
[4]李慧星，李国柱，陈其针.北方地区岩土导热系数及换热量的测试研究[J].可再生能源，2012.01.
[5]庄克鹏，刘丰.地源热泵地埋管换热器热响应试验方法及影响因素研究[J].建筑节能，2013.04.
关键词：热响应测试仪 地源热泵 垂直地埋管
0 引言
我国在2009年颁布的《地源热泵系统工程技术规范》中明确规定地埋管地源热泵系统方案设计前，应用建筑面积在3000m2～5000m2时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于5000m2时，应进行热响应试验。我国有关研究所和企业也开始研制岩土体热物性测试仪，它们在地源热泵工程设计中发挥了很大的作用。热响应测试设备从装载形式上可分为车载式、拖车式和便携式三类，从热（冷）源类型上可分为加热器型和热泵型两种。热响应测试仪运行时间长，循环液体加热设备为电加热方式，测试场地需保障电源供给；设备体积偏大，不利于移动，因此测试场所受到一定限制。
1 热响应测试仪的组成
如图1为该项目所研制岩土热物性测试仪原理图，包括：换热器、进水管、出水管、加热器、离心水泵、补水管、检测器、进水止回阀、两个温度计、两个水压计、流量计和温度传感器；其中，换热器埋设于岩土的钻孔中，其由外管和内管组成，外管底部封闭，内管设于外管内。（见图1）
2 测试方案
该测试在杭州萧山高教园区浙江建设职业技术学院内实施，采用的为恒定热流热响应测试方法。换热器埋设于岩土的钻孔中，其由外管和内管组成，外管底部封闭，内管设于外管内；外管顶部高度为地表面下-0.2m，外管和内管的尺寸分别为DN110和DN32，钻孔直径为200mm，深度为50m，换热器与钻孔壁间隙内采用细骨料填充。六个温度传感器埋设于换热器与钻孔内壁之间的空隙中，其根据埋管深度沿钻孔纵向均匀分布每隔10m设置一个（即地表面下0m、10m、20m、30m、40m和50m共计6个），并通过测温电缆供电。
3 测试结果分析
3.1 岩土的初始温度 初始温度有两种方法获得，一是在测试前不开启加热器让循环管内液体在设定的流量下循环20-30分钟左右，通过采集测试仪进出口的平均水温作为岩土的初始温度。图2为两种方法在同一时间段获得的岩土温度比较。图中的直线表示利用进出口温度计测得的平均温度，为20.8℃；破线表示通过测温电缆上不同深度埋设的温度计所测，平均值为20.0℃。两种方法获得的温度相差0.8℃，虽然误差不超过1℃，但地埋换热管在运行过程中进出口温差一般不超过5、6℃，所以利用进出口温差获得平均温度对后续计算有一定影响。
3.2 流量的时间变化 图3表示测试开始后套管式（空心四方实线）和单U形（空心三角实线）地埋管换热器流量的时间变化。通过图中数据，两种地埋管换热器在测试过程中波动幅度小，稳定性能良好。由于套管式地埋管换热器断面面积远大于单U，因此在启动同等频率水泵情况下，套管式地埋管換热器的流量比单U的要高出近1倍左右。
3.3 进出口平均温度的时间变化 图4表示套管式和单U形的热响应测试仪循环管路进出口平均水温的时间变化。□表示套管的进出口平均温度，△表示单U的进出口平均水温。此平均值为上节中进出口水温的平均，是计算后面导热系数的关键数据。图中两根实线则表示两种地埋管换热器的拟合曲线。同图4显示的结果一样，在运行开始至20小时内的平均温度为显著上升，此后基本保持横向平缓上升状态。这表明在20小时后，地埋管换热器处于稳定的换热状态。经过对两种地埋换热管的进出口平均温度的时间变化的拟合，即图中两根实线，分别得出拟合后的函数为：
套管：y=1.8232ln（x）+23.608
单U：y=1.4607ln（x）+23.689
即套管式地埋管换热器的k值为1.8232，单U的为1.4607。这样，可根据此值计算出岩土导热系数。另一方面，套管式和单U形的地埋管换热器拟合曲线的R2值分别为0.9733和0.9867，说明拟合性高，在测试过程中所测数据的稳定性好。
3.4 岩土热物性值 通过测试整理以上的数据，采用自编的解析软件进行热物性值计算，其结果归纳于以下表1中。
对套管式地埋管换热器进行热响应测试后的解析结果为，λs=1.47W/mK，ql=33.58W/m。单U形地埋管换热器的结果为λs=1.51W/mK，ql=27.58W/m。首先对岩土导热系数比较得出，两者的值相近，相差仅0.04W/mK，而且其值在公布的标准值的范围之内。因此可以说本热响应测试仪能够对套管和单U两种地埋换热管测试，应用应能良好。比较两者的换热量，相对而言，套管式地埋管的换热效果要优于单U。本次测试结果表明，套管式地埋管换热器的单位延米换热量比单U高出6W/m。结合上述的流量和进出口水温的温差值，套管式地埋管换热器流量大、温差小；单U地埋管换热器流量小、温差大。理论上影响地埋管换热器换热效果的原因主要有两个，换热面积与热流量，而套管式换热器换热面积要大于单U，在热响应试验时进出口的水温温差值也应大于单U，但结果刚好相反，其原因还有待进一步考证。因此可以分析出，在本次测试中套管式地埋管换热器的换热效果优的主要原因在于流量大。
4 结论
该项目针对目前国内外热响应测试仪所存在的问题，开发出一种新型便携且精度高的热响应测试仪，并验证了热响应测试仪的性能和评价不同地埋管换热器的换热性能。通过解析对进出口水温时间变化的拟合曲线得出R2值分别为0.9733和0.9867，说明拟合性高，在测试过程中所测数据的稳定性好；对套管式地埋管换热器进行热响应测试后的解析结果为，λs=1.47W/mK，ql=33.58W/m。单U形地埋管换热器的结果为λs=1.51W/mK，ql=27.58 W/m。
实验证明，该项目研发的热响应测试仪在实际应用过程中性能稳定，测试效果良好，不但可以作为实际工程测试之用，还可以作为地源热泵研究之用。
参考文献：
[1]彭清元，常桂钦，崔文智，廖全，陶嘉祥.基于线热源理论的岩土热响应测试研究现状[J].节能，2010（08）.
[2]宋建中，程海峰.无锡某地源热泵系统岩土热响应试验研究[J].中国水运（下半月），2012（01）.
[3]黄练红，沈泽，施恂根.岩土热响应测试及应用中的问题探讨[J].中国新技术新产品，2012（18）.
[4]李慧星，李国柱，陈其针.北方地区岩土导热系数及换热量的测试研究[J].可再生能源，2012.01.
[5]庄克鹏，刘丰.地源热泵地埋管换热器热响应试验方法及影响因素研究[J].建筑节能，2013.04.