1、前言

　　土壤源熱泵通過循環(huán)液在封閉的地下埋管中流動(dòng),與地下巖土進(jìn)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(dāng)?shù)卮髿馄骄鶞囟鹊?～6℃,這使得地下巖土層冬暖夏涼,可以為建筑空調(diào)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(diǎn),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(yùn)行費(fèi)用相對較低,投資回收期多在3年之內(nèi)。土壤源熱泵的應(yīng)用具有地域特性,不僅不同地區(qū)應(yīng)用情況不同,就是同一地區(qū)會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)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(xiàn)在測試方法和設(shè)計(jì)方法的不完善,使得系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況并不理想,多數(shù)選擇大容量的地埋管系統(tǒng),造成投資的提高及資源的浪費(fèi)。

　　2006年1月1日實(shí)施的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)——— 《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005中規(guī)定 ,地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測巖土體及回填料熱物性參數(shù),采用專用軟件進(jìn)行;或根據(jù)規(guī)范附錄的系列公式進(jìn)行。根據(jù)國際上通行的標(biāo)準(zhǔn)和方法,測試的目的是地下巖土體的熱物性,應(yīng)提供專業(yè)軟件設(shè)計(jì)或公式手工設(shè)計(jì)地埋管換熱器所需的參數(shù)。為了正確進(jìn)行地埋管換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì),必須搞好地下?lián)Q熱系統(tǒng)測試。

2、地下?lián)Q熱系統(tǒng)測試

　　上海某展示中心項(xiàng)目,共有4層,因地源熱泵工程建設(shè)的需要,進(jìn)行地源熱泵地下?lián)Q熱器熱交換效率測試工作,以取得相關(guān)的地層熱物性參數(shù),使空調(diào)設(shè)計(jì)符合工程的需求。我們受業(yè)主委托,進(jìn)行了測試工作。根據(jù)IGSHPA的工程標(biāo)準(zhǔn),地下?lián)Q熱器熱響應(yīng)測試將分為兩個(gè)階段:第一階段,工程實(shí)施前的測試,收集和校核基本設(shè)計(jì)參數(shù);第二階段,工程實(shí)施中的測試,校核和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)和施工效果。本工程測試孔布置2個(gè),采用地質(zhì)鉆機(jī)打孔,孔深105m, 孔徑不小于150mm, 在孔內(nèi)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(jìn)行地溫測試,每15m一個(gè)測點(diǎn),對不同深度的地層溫度進(jìn)行測量。采用專業(yè)軟件及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集儀記錄試驗(yàn)溫度、流量、壓力、時(shí)間等,隨時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。連續(xù)測試時(shí)間不少于24h,累計(jì)時(shí)間不少于72h。

2.1、工程擬建場地地質(zhì)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(qū)四大地貌單元中的濱海平原類型。該擬建場地內(nèi)的最大勘察深度為105m,在此深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀(jì)松散沉積物,土壤類型主要為粘土、素填土粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)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(dòng)態(tài)變化主要受控于大氣降水和地面蒸發(fā)等,并隨氣候的變化而變化。使用專用設(shè)備進(jìn)行土壤熱響應(yīng)試驗(yàn)。

2.2、測試流程

　　采用1臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行測試孔井鉆井取樣,下管施工,循環(huán)管接至測試儀器。棄熱試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為72h。其中地下未擾動(dòng)土壤原始溫度采集24h;采用1套6kW電加熱器對水進(jìn)行加熱,再進(jìn)入地埋管循環(huán),定流量1.6m3/h,48h連續(xù)不斷運(yùn)轉(zhuǎn),采集地埋管供回水溫度。

2.3、數(shù)據(jù)分析

2.3.1、工程場區(qū)主要巖土層結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　工程場區(qū)主要巖土層結(jié)構(gòu)

2.3.2、熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)采集

　　圖1～5分別為采用專業(yè)軟件及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集儀記錄的試驗(yàn)過程中水泵流量,電功率,未擾動(dòng)土壤溫度,供回水溫度和土壤探頭溫度變化曲線圖。圖中數(shù)據(jù)隨時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ),連續(xù)測試時(shí)間不少于24h,累計(jì)時(shí)間不少于72h。

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

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

　　圖3中未擾動(dòng)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(diào)運(yùn)行工況,通過循環(huán)水不斷向地下放熱所致。