239 规范中岩土初始平均温度测试方法的讨论.doc

规范中岩土初始平均温度测试方法的讨论*国家科技支撑计划重大项目课题（2006BAJ02A09、2006BAJ02A13-4）资助重庆大学 贾 宇 李百战 丁 勇 单金龙摘要：通过对当前规范中规定的岩土初始平均温度测试方法进行的实验对比分析表明，由于受到可能的地表温度波动的影响，在满足规范要求的情况下仍然可能产生较大的测试误差。通过对地下岩土进行合理分层，对规范中初始平均温度的计算方法稍作改良，分别计算各层的平均温度后，再进行加权平均值的计算，从而获得了平均岩土温度。可以达到既不增加投资，又能提高测试精度的效果。关键词：地源热泵 岩土初始平均温度 实验对比 测试方法Discussion about the Test Methods of Ground Initial Average Temperature with Requirements of Normative StandardAbstract: Because of possibility of temperature fluctuations in ground surface, experimental comparative analysis demonstrated much deviation in the ground initial average temperature testing, although everything is in accordance with requirements of normative standard. If underground rock can be divided different layer rationally and the calculation of initial average temperature can be adjusted slightly，not only it cannot increase investment, but also improve the accuracy of test results.Keywords: ground-source heat pump; ground initial average temperature; experimental comparative analysis; test method地埋管地源热泵技术由于其节能和环保的优势正在我国得到迅速推广应用，随着地埋管地源热泵系统研究和应用的不断深入，如何正确获得岩土热物性参数，并用来指导地源热泵系统的设计，成为越来越受到重视的课题。地源热泵系统工程技术规范2009年版(GB 503662005) 修订增加了岩土热响应试验方法及相关内容，对如何正确获得岩土热物性参数，如何用来指导地源热泵系统的设计，已经做了比较明确的规定和约束，进一步提高了地埋管地源热泵系统的设计和应用水平。1.岩土平均温度地埋管式地源热泵系统主要是通过地下换热器的管内流体与周围的岩土之间进行传热，可以说岩土和换热管内流体的温差是传热的动力。了解地工程当地的岩土温度，及其温的变化特性与的是进行工程设计，地下传热分析的基础，因此无论在科研中还是工程上，在有关地下换热器的分析中，都是非常重要的参数，因此对当地岩土温度的精确表述非常重要。但是影响到岩土温度分布的因素很多，如大气温度、地表面风速、太阳辐射、地表面长波辐射、空气湿度、降雨量、地表面植被覆盖状况、地下岩土结构及物理性质，以至于地壳内部的热传导等等，使获得精确的岩土温度非常复杂。工程上的地埋管的深度一般是60100m，考虑到地埋管与岩土的换热特点，为了简化测试和计算，常常是在深度方向上取一个平均的地层温度来描述地下岩土的温度特性1。地源热泵系统工程技术规范（2009年版）中对地下岩土初始平均温度的测试方法做了如下的规定：岩土初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法。测点的布置宜在地埋管换热器埋设深度范围内，且间隔不宜大于10m；以各测点实测温度的算数平均值作为岩土初始平均温度2。规范也对测试持续时间做了规定，岩土热响应实验应连续不间断，持续时间不宜少于48h2。虽然规范中对岩土平均温度的测试方法已经做了比较详细的表述，但是在实际的操作中，即使完全按照规范附录C.3.4的条目操作，依然存在许多足以影响测试结果准确性的因素。以下就依照规范中规定的测试方法，结合重庆大学热泵实验室的一些实验数据做些讨论。2.测试系统测试系统是重庆大学地源热泵实验室实验台，在岩土温度的测试前，本实验台停用了4个月以上，地下的热交换已经充分平衡，可以反映真实的岩土初始温度。本实验台分别在离地表0.5m、2.5m、4.5m、9.5m、14.5m、24.5m、44.5m、64.5m等8个深度的地埋管换热器供回水管管壁上设有热电偶测温点，共计32个。每个深度的温度，由4个同深度测点温度的平均值获得。详见图1。图1 测试井测点布置示意图3.岩土初始平均温度的测试我们将连续两周对岩土温度分布的测试数据整理成变化曲线，如图2。3图2 2008年6月原始地温分布情况从08年的6月份原始地温分布情况可以看出，10m以上土壤原始温度受气温的变化存在较明显的变化，在10m以下，土壤温度基本稳定在1920。 按照规范规定的方法，我们对岩土初始平均温度进行计算分析。规范要求测点的布置宜在地埋管换热器埋设的深度范围内，且间隔不宜大于10m 2。本实验井在24m以下的深度范围，温度传感器的间距已经大于要求的10m，但是由于在10m深度以下，岩土温度的变化小，故我们将24.5m以下的缺失的34.5m，54.5m两个应有测点的温度，以他们相邻两个测点的平均温度代替，以后的分析将看出，这种假设对本论文的讨论不存在影响。3.1测试点选择造成差异 依照规范，如果岩土原始平均温度的测试的温度采集点选定为7个深度，依次是0.5m，4.5m， 14.5m，24.5m，34.5m，44.5m，54.5m，64.5m，满足连续48小时，我们选取6月10日到6月13日三天连续测试的测点温度数据进行岩土平均温度的计算，如表1。表1 岩土原始平均温度计算表1深度m各深度平均温度平均温度64.519.719.854.519.244.534.518.719.024.519.314.519.44.518.90.521.8如果此次岩土原始平均温度的测试的温度采集点选定为7个深度，依次是2.5m，4.5m， 14.5m，24.5m，34.5m，44.5m，54.5m，64.5m，我们依然选取同时刻，2008年6月10日到6月13日三天连续测试的温度数据进行岩土平均温度的计算，如表2。表2 岩土原始平均温度计算表2深度m各深度平均温度平均温度64.519.719.454.519.244.534.518.719.024.519.314.519.44.518.92.520.6同样实验条件，同一测试时刻，对同一个测试井进行的岩土初始平均温度测试中，由于计算选择0.5m深度或2.5m深度温度测点的不同，初始平均温度的计算结果分别为19.8和19.4，相差了0.4。同样在满足规范条件下，如果不选取4.5m以上的温度测试点，即只选择4.5m及以下深度的7个温度测试值，计算平均岩土温度值只有19.2，与添加了0.5m深度温度测点的结果相差高达0.6。3.2测试时刻不同造成差异 选取相同深度测点，依次是0.5m，4.5m， 14.5m，24.5m，34.5m，44.5m，54.5m，64.5m，分别对2008年6月10日到6月13日三天连续测试的温度数据和2008年6月25日到6月28日三天连续测试的温度数据进行岩土初始平均温度计算。前面已经得出，在此测试条件下，6月10日到6月13日三天的岩土初始平均地温是19.8，6月25日到6月28日三天连续测试的温度数据计算岩土平均温度，如表3：表3 岩土原始平均温度计算表3深度m各深度平均温度平均温度64.519.218.954.518.844.534.518.418.824.518.714.518.94.518.70.519.9同样的测试条件，选取相同的温度测点，两次测试的时间仅仅相差10天左右，而两次测试获得的岩土初始平均温度相差达到0.9。这与我们实验室长期对地温监测获得的地下温全年变化不大3的结论严重违背。4.测试结果分析对于同一口实验测试井，且间隔很短短时间内，在进行的岩土初始平均温度测试中获得的结果存在了较明显差异，但是每种测试方法均没有明显违背在目前规范的测试要求。通过图2我们可以看出，浅层岩土的温度受到地表气温的影响存在很大波动，且在较浅范围内，不同深度的岩土温度存在非常大的差异，正是这种浅层岩土温度的变化和分布特征，对整个井深平均岩土温度的测试产生了影响，并引起误差。虽然这种误差随着测点间距的减少会减小，但是测试的成本和相应的施工难度就增加了。如何既能不增加测试点的数量，又可以最大程度的避免因测点埋设深度不同和地表岩土温度随气温显著变化而造成的平均温度的误差，值得我们考虑。如果将地下土壤划分几个层区，根据每个层区温度的变化特点，合理布置温度传感器，然后在几个层区内分别计算平均温度，然后对每个层区的平均温度进行以深度范围为权值的加权平均，就可以减弱测点埋设深度不同，和局部温度变化对整个测试深度平均温度的影响，就可以在保证测试结果精度的前提下减少温度传感器的布置。根据重庆大学地源热泵实验室的地温测试数据3，4并参考了文献59的地温研究成果，针对重庆地区湿重型的土壤类型，可以将地源热泵埋管范围的地下岩土划分为三个层区：（1）表面层区。地面以下深度在z =01m范围的土壤层。该层内土壤温度对短期内的天气变化比较敏感，土壤温度的变化不仅与气温年周期波动（季节变换）有关，而且受气温日周期波动的影响。（2）浅层区。地面以下深度在z =110m范围的土壤层。该层内的土壤温度波动相对较小，与短期的气候变化关系不大，只受地表面年周期温度波动的影响。（3）深层区。深度在z =10100 m范围的土壤层。该层内的土壤温度常年基本保持恒定，并接近地表面年平均温度。在该区域内，同一深度的地温实际上已经是一个常数；但是由于地热所产生的地温梯度的存在，随深度的加深地温有1/30/m的微小增幅10。按照分层分步计算平均温度方法，对上述不同测点选择，不同测试时刻的平均地温计算结果计算，如表4：表4 岩土原始平均温度计算表4分层深度测试1.1测试1.2测试2.11064.5m64.519.719.719.254.519.219.218.844.518.718.718.424.5191918.814.519.319.318.7110m9.519.419.418.94.518.918.918.72.520.801m0.523.519.9加权温度平均值19.018.918.68对比其他文献资料中重庆市同期平均地温19.0左右11，12的记载，以及对多组实验的计算对照，对算法进行优化后的岩土平均温度的测试结果比改进前的误差已经减小。此时可能造成几个结果稍有不同的原因，除了测试期间地下岩土温度的变化外，仪器测量精度也是造成的误差主要原因。5.结论1）在依据当前地源热泵系统工程技术规范附录C.3.4的条目进行的实验下，由于温度测点深度选择的不同，测试时刻的不同，岩土初始平均温度测试计算结果可能产生较大差别。2）根据地下岩土温度分布及变化特点，将地埋管式地源热泵系统埋设的深度范围（10100m）划分为三个区域，在三个区域内分别按照规范计算平均值，再对三个区域的平均温度计算以其代表深度范围为权值的加权平均值，这个加权平均值作为最终平均温度的测试结果，可以有效的减少地表岩土温度受气温影响，温度变化梯度大造成的测试误差。参考文献1马最良，吕悦. 地源热泵系统设计与应用M. 2007，1第一版: 机械工业出版社.2中华人民共和国建设部与中华人民共和国质量监督检验检疫总局， 地源热泵系统工程技术规范2009年版（GB50366-2005）S. 2009.3单金龙，地源热泵系统的地下换热器性能测试与模型设计研究D.重庆大学，20094任晓红，U型垂直地下埋管换热器地源热泵全年实验研究与传热模型D.重庆大学，20045魏唐棣等.地源热泵地下埋管换热器的研究介绍J.中国冷冻空调杂志，1999.126C. 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