亓燕秋
（1．中煤特殊凿井有限责任公司，安徽 合肥 230001；2．安徽省特殊凿井工程技术研究中心，安徽 合肥 230001）
1 引言
浅层地温能是埋藏在浅层地下水及地下岩土中的可再生能源，目前浅层地温能开发利用的技术成熟，具有某种程度上的可储存性及再生性，还具有节能、环保、经济等诸多优点。以浅层地热能为低位热源的地源热泵技术，可为住宅和公建等提供冷量（热量）进而达到制冷（供暖）的目的[1]。目前，地埋管地源热泵系统以浅层地温能为热、冷源已经被国外广泛应用。
地源热泵热响应试验研究是为论证目标项目地下是否适合土壤热泵系统设计提供参考，并为地源热泵地下换热系统的设计提供了确切的数值依据。地源热泵技术能应用与否是以其热响应试验数据为基础做判断。与国外相比，我国的很多领域虽然都有使用地源热泵中央空调系统，但使用分布分散且占比相对较少。地下水和地表水资源均较丰富的四川省，有着适宜施工的岩土体条件，浅层地温能资源适宜以多种方式开发和利用[2]。
2 研究概况
2.1 依托项目概况
试验测试地点位于四川省宜宾市高县庆符镇境内，位置在北纬28°25'25．27″，东 经104°31'37．71″左右，项目为高县翰笙文化体育艺术中心。该项目为财政部PPP 示范项目，占地约16．67hm2，共9 个子项，总建筑面积17 万m2，总投资10．75 亿元，包含以下九个子项：①综合公共服务中心（含公共阅览室3000m2，展览中心4000m2，科技服务中心5000m2，文化交流中心4000m2）；②体育文化综合业务用房29000m2；③体育中心（1200m2综合馆、8000m2游泳中心、3500m2体育场看台）；④体育场工程54000m2；⑤文化艺术广场（含文化艺术广场22158m2，演艺中心2000m2）；⑥配套基础设施工程（涉及700m 九华大道东段、350m 文体路、1250m 滨河路及6．7万m2景观绿化）；⑦江心岛公园前期工作（涉及文化体育艺术中心及江心岛征地拆迁）；⑧安全生产救援基地3525m2；⑨高县第二实验小学18668．65m2。四川高县庆符镇暂无地源热泵应用案例，拟在本项目的公建上应用地源热泵技术。故先行本项目场地内的地源热泵热响应试验研究。
2.2 测试原理及数据采集
根据本工程特点和场地范围，本次勘察共布设2 个测试井，不同U 型地埋管换热器。本次试验研究均采用竖直地埋管换热器，其中1 个为De25 双U 型，1 个为De32 单U 型，工作流程见图1。测试试验的钻孔采用GXY-150型工程地质钻机回转钻进成孔。孔内泥浆循环采用正循环工艺。通过特殊接头使地埋管与试验设备构成循环系统，地埋管与试验台之间外露部分用大于20mm 厚度的橡塑保温，外侧覆裹防水耐磨材料，减少与外界环境的能量交换。
图1 工作程序流程图
本次实验选用了单U 和双U 数值地埋管，具体参数见表1，测试井结构示意图见图2。
表1 测试井数据
图2 U型地埋管换热器示意图
2．2．1 测试原理
依据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）（2009 年版），测试试验需要监测的数据有水流量、加热功率、温度等。将用于测试的竖直测试孔与岩土热响应测试仪组成闭合的循环系统，通过外部设定好的功率进行加热，对测试孔进行水循环，连续散热试验，期间实时监测并记录数据，最后计算得出岩土热物性参数。
2．2．2 数据采集
试验采集数据利用计算机采集并自动存储（5 秒采集一次），可在计算机上得到随测试时间变化的流量、温度曲线。地埋管中循环水流量采用传统的湿式水表测量并记录。
在试验前，校正与标定所用的温度传感器。精密的水银温度计作为标尺，在测试试验的温度区间范围内，对测试用的温度传感器校正，测量误差≤0．15℃。
3 实验结果分析
3.1 单U地埋管换热器测试
DN32 地埋管换热器初始地温测试时间检测日23：59 开始，次日23：59 结束，共计24h。其热响应测试从检测日的19：14 开始，第三日的19：14 结束，共计48h。
3．1．1 初始地温
经过分析，选取检测日期的2：12～6：48 这一时间段的出口温度平均值作为换热器初始地温，如图3 所示，最终确定土壤温度为21．8℃。
图3 单U换热器初始地温
3．1．2 单U热响应测试
单U 热响应测试，平均加热功率为2．67kW，平均流量0．699m3/h，经过汇总，测试温度如图4所示。通过图4的分析，进出口平均温度对数拟合分析，分析结果如图4（b）所示。
图4 单U换热器热响应测试及拟合
最终拟合线性曲线如公式（1）所示，其拟合的相关系数R2＝0．96，最终确定土壤导热系数1．937W/(m·℃)。
3.2 双U地埋管换热测试
De25 地埋管换热器初始地温测试时间检测日期的23：10 开始，次日1：10分结束，共计2h。其热响应测试从检测第二天的1：10 开始，检测第四天的1：10结束，共计48h。
3．2．1 初始地温
通过对测试数据进行分析，其初始地温情况如图5所示。
图5 双U换热器初始地温
对温度曲线进行分析，确认土壤初始温度为21．5℃。
3．2．2 热响应测试
双U 热响应测试，平均加热功率2．30kW，平均流量0．468m3/s，经过汇总，测试温度如图6（a）所示。通过对温度曲线进行分析，对换热器进出口平均温度进行对数拟合分析，分析结果如图6（b）所示。
图6 双U换热器热响应测试及拟合
最终拟合线性曲线如公式（2）所示，其拟合的相关系数R2＝0．94，确定土壤导热系数2．139 W/(m·℃)。
3.3 测试结果汇总及运用
单U 管和双U 管的测试结果见表2。
表2 恒热流热响应测试结果汇总
3．3．1 运行工况设计
针对高县地区的地理位置和气候条件，对工况进行如下设计。
一个制冷、热期分别按照150d 和90d 计算，每天地源热泵系统运行时间按照24h、22h、18h、15h、12h、10h、8h、6h，供热（制冷）运行份额对应分别为1．000、0．917、0．750、0．625、0．500、0．417、0．330、0．250。
测试的竖管在制热工况下，管中传热介质设计温度分别取7．5℃、6．0℃、4．5℃；测试的竖管在制冷工况下，管中传热介质设计温度分别取36．0℃、34．5℃、32．5℃。
3．3．2 工况设计结果与分析
通常地源热泵地埋管换热系统的传热介质设计平均温度分别取32．5℃（制冷工况）和7．5℃（取热工况），根据本项目建筑物的功能特点，地源热泵系统运行时间平均按8～10h/d 考虑。结合实测研究结果，本项目初始地温为21．8℃，采用DN25 双U 型夏季排热量建议值为48～51W/m，冬季取热量建议值为61～65W/m；DN32 单U 型夏季排热量建议值为46～49W/m，冬季取热量建议值为61～65W/m。钻孔单位延米换热量参考值如表3所示。
表3 钻孔单位延米换热量参考值
考虑到该项目的初始地温较高，可适当增加制冷工况下传热介质的设计平均温度。
由计算结果和建议运行工况分析可知，同等条件之下DN25 双U 型与DN32单U 型埋管方式的冬季取热能力能力相当，夏季排热能力DN25 双U 型埋管方式比DN32单U型略低4．8%。
当然，应综合考虑建筑住宅和公建场地、地质水文条件，结合对应地埋管换热能力等因素，设计选择换热埋管型及管深等参数。
测试试验是单孔试验，换热量计算还应考虑等多种因素影响，如负荷特征、运行工况及时间、回填材料、岩土性质、管型及布管方式等。
4 项目热响应成果分析及意义
4.1 项目热响应成果分析
在项目设计初期应对建筑项目的地下进行岩土热响应试验，为论证地下是否适合土壤热泵系统设计提供参考，并为地源热泵地下换热系统的设计提供确切的数值依据。本项目热响应测试研究结果表明：
①本项目地块初始地温高，相较于我国北方城市而言，土壤温度平均高4～5℃；
②取热能力高30%左右，排热能力低15%左右，根据测试结果项目地块完全适合地源热泵系统；
③本项目应用地源热泵不仅可满足功能区空调的供能使用，也可满足生活热水及泳池热水的使用要求，采用本系统综合节能率将大于30%；
④测试数据用于设计时，应按照规范及当地情况进行适当修正，建议在布设群井时考虑预留一定的安全系数，以确保整个地源热泵换热系统的有效运行。
4.2 本测试研究的意义
本地源热泵热响应试验研究是以高县翰笙文化体育艺术中心工程为依托，主要测量了地源热泵拟设计深度范围内，地下岩土的热物性能参数、初始温度及所测试管型的单位延长上的换热量等。地源热泵系统的实际运行效果取决于参数选取得是否合理，否则会达不到制冷、供热效果或导致投资增大。
若该项目实施结果达到预期，将为进一步推动地源热泵技术在四川宜宾乃至整个西南地区的应用，具有重要的经济效益和社会效益。填补了四川高县庆符镇片区地源热泵热响应测试数据的空白。推广住宅及公建应用地源热泵供热和制冷，不仅能较大幅度节约能源，同时对实现“双碳”目标具有积极的意义。
