1、前言

　　土壤源熱泵通過循環液在封閉的地下埋管中流動,與地下巖土進行熱量交換。對于豎直埋管,鉆孔深度一般為60～100m,而地溫在20m之下基本常年不變,年平均溫度一般高于當地大氣平均溫度的2～6℃,這使得地下巖土層冬暖夏涼,可以為建筑空調和供熱提供較多的能量。相對于空氣源熱泵,克服了室外溫度與需熱(冷量)相矛盾的缺點,效率大大提高。另外不受地下水和地表水資源的限制,只需占用一定的埋管空間,使用更為靈活。

　　土壤源熱泵地下埋管的安裝需要鉆孔、挖溝、灌漿等工序,初投資較高,但運行費用相對較低,投資回收期多在3年之內。土壤源熱泵的應用具有地域特性,不僅不同地區應用情況不同,就是同一地區會因為地質條件的差異而有所不同,所以土壤特性的測試工作十分重要,但現在測試方法和設計方法的不完善,使得系統的實際運行狀況并不理想,多數選擇大容量的地埋管系統,造成投資的提高及資源的浪費。

　　2006年1月1日實施的中華人民共和國國家標準——— 《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005中規定 ,地埋管換熱器設計計算宜根據現場實測巖土體及回填料熱物性參數,采用專用軟件進行;或根據規范附錄的系列公式進行。根據國際上通行的標準和方法,測試的目的是地下巖土體的熱物性,應提供專業軟件設計或公式手工設計地埋管換熱器所需的參數。為了正確進行地埋管換熱器系統設計,必須搞好地下換熱系統測試。

2、地下換熱系統測試

　　上海某展示中心項目,共有4層,因地源熱泵工程建設的需要,進行地源熱泵地下換熱器熱交換效率測試工作,以取得相關的地層熱物性參數,使空調設計符合工程的需求。我們受業主委托,進行了測試工作。根據IGSHPA的工程標準,地下換熱器熱響應測試將分為兩個階段:第一階段,工程實施前的測試,收集和校核基本設計參數;第二階段,工程實施中的測試,校核和檢驗設計參數和施工效果。本工程測試孔布置2個,采用地質鉆機打孔,孔深105m, 孔徑不小于150mm, 在孔內安裝HDPEΦ32等效U型管,深度100m。

　　測試采用專用測試儀,分別對換熱井進行地溫測試,每15m一個測點,對不同深度的地層溫度進行測量。采用專業軟件及計算機數據采集儀記錄試驗溫度、流量、壓力、時間等,隨時自動存儲數據。連續測試時間不少于24h,累計時間不少于72h。

2.1、工程擬建場地地質條件

　　該擬建場地位于長江三角洲入海口東南前緣,其地貌屬于上海地區四大地貌單元中的濱海平原類型。該擬建場地內的最大勘察深度為105m,在此深度范圍內的地基土均屬第四紀松散沉積物,土壤類型主要為粘土、素填土粉質粘土、淤泥質粘土和粉砂、粗砂等。

　　該擬建場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型,其水位動態變化主要受控于大氣降水和地面蒸發等,并隨氣候的變化而變化。使用專用設備進行土壤熱響應試驗。

2.2、測試流程

　　采用1臺鉆機進行測試孔井鉆井取樣,下管施工,循環管接至測試儀器。棄熱試驗持續時間為72h。其中地下未擾動土壤原始溫度采集24h;采用1套6kW電加熱器對水進行加熱,再進入地埋管循環,定流量1.6m3/h,48h連續不斷運轉,采集地埋管供回水溫度。

2.3、數據分析

2.3.1、工程場區主要巖土層結構如表1所示。

表1　工程場區主要巖土層結構

2.3.2、熱響應測試數據采集

　　圖1～5分別為采用專業軟件及計算機數據采集儀記錄的試驗過程中水泵流量,電功率,未擾動土壤溫度,供回水溫度和土壤探頭溫度變化曲線圖。圖中數據隨時自動存儲,連續測試時間不少于24h,累計時間不少于72h。

　　由圖1, 圖2 可看出水泵流量基本穩定在1.6m³/h,電功率保持穩定為6kW。

圖1　水泵流量曲線                                              圖2　電功率曲線

　　圖3中未擾動土壤溫度隨測試深度增加而升高, 由10m深度處的14.4℃升至100m 處的17.9℃,這是由于測試過程中模擬空調運行工況,通過循環水不斷向地下放熱所致。