地源热泵岩土热物性测试新技术与新进展+（胡平放）.ppt

1、地源热泵岩土热物性测试新技术与新进展,华中科技大学地源热泵研究所 胡平放 教授,2013年第五届中国地源热泵行业高层论坛，天津，2013.8.23-24,主要内容,介绍国内外近年来（主要近2-3年左右）在地源热泵岩土热物性测试与热响应实验方面的研究、新技术及成果。 分析地源热泵岩土热物性测试与热响应实验技术发展趋势。,岩土热物性测试（热响应实验）是地源热泵技术中的重要内容，也是难点和热点。国内外多年来进行了大量研究。 岩土热物性是地源热泵系统中的重要参数。是设计地埋管数量的主要依据之一。对地埋管地源热泵的初投资及可靠性影响很大。 多年来，基本方法仍然为基于线热源模型的热响应实验方法。但在此基础

2、上在积极探索不断完善。,热响应实验基本原理,具体求解方法有： 斜率法：计算得导热系数。估计比热容。 双参数估计法：计算导热系数与比热 容。,1.模拟热物性测试中垂直温度场的模型,美国的Beier等人提出可计算现场热响应测试中 循环流体及土壤垂直温度的解析解模型。模型的建立过程中 用到了实验测试的数据，并通过模拟与实测数据验证了模型 的可靠性。1 模型基于恒热流的假设，即模型针对热响应测试后半阶段，一般考虑除去前面15h。 该模型可以输入垂直土壤分层的初始温度场。 模型需要输入测试中的进水温度。,1.模拟热物性测试中垂直温度场的模型,利用建立的模型得到结论： 模型基于恒热流的假设（即模型针对热响

3、应测试后半阶段）。 该模型可以在不采用进出水平均温度的情况下得到钻孔内热阻，并考虑垂直温度场。计算结果表明根据平均温度计算的热阻一般会高估20%。 该模型通过支管间的热阻还可检验测试中钻孔内埋管是否对称分布。,1.热物性测试中垂直温度场的模型,Beier 研究发现在线热源计算土壤导热系数时，用进出口平均温度代替流体 平均温度的做法不如 P线性近似法（Marcotte 和 Pasquier (2008)提出）精度高。但p的最佳值不好确定。,T 表示温度与土壤初始温度之差。,2.现场热响应测试时间长度问题,热响应测试时间长度，热响应测试时间长度一直是争论热点话题，目前国内多采用48h测试时间。 美

4、国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）要求热物性的测试时间应为 3648h； 国际能源署（IEA）的指导意见是大于48小时； 国际地源热泵协会（IGSHPA）规定热响应试验连续运行时间不宜少于48h； 国家规范中遵循 IGSHPA 和ASHRAE 的规定指出测试时间不少于48h。 重庆大学的常桂钦针对重庆地区，通过数据分析得到应舍去前8h 或10h的数据，测试时间长度应最少60h，这样可以将误差控制在2%2，,2.现场热响应测试时间长度问题,西安交大颜亮、王沣浩等测试影响因素进行分析。34 认为舍弃前40小时数据域舍弃前5小时得到的导热系数差3%， 建议测试时间大于70小时。,瑞典Saqi

5、b 等研究了不同时间短测试的结果。48320小时。差别在5-15%。,3.土壤初始温度的确定方法,对于现场热物性测试中的初始温度，有不同的方法： 循环水法:不加热条件下，循环流体 2030 分钟，就认为达到岩土的初始平均温度。 采用布置温度传感器的方法，以不大于 10 米的 间隔，以各测点实测温度的加权平均值做为岩土初始平均温度。 重庆大学的常桂钦提出，在热响应实验中，所得到的岩土初始 温度比积分平均岩土温度略大。地源热泵热响应测试中获得的原 始地温具有季节效应，冬季低夏季高，尤其在系统、长期性能仿 真中应该加以修正，以便获得更为精确的结果。系统优化设计中应该进行地温监测，应充分考虑地温的季节

6、性变化， 采用地温计算的经验关联式对原始地温进行预测。2,3.土壤初始温度的确定方法,日本的Hikari Fujii等人提出采用可回收的光纤传感器对现场 测试中的不同分层土壤初始温度进行采集，从而获取不同层的土 壤导热系数，让地埋管系统的设计和经济型都达到最优化。5 用分层模型取代传统模型。 该模型结合光纤传感器所 测分层土壤温度进行了现场热物 性测试，所得热物性参数与当地 经验数据吻合，验证模型的可靠 性。,4.加热功率对热物性参数的影响,北京工业大学的宋春节等人提出无论是单 U管还是双 U管, 现场热物性测试中单位埋深加热功率越大，导热系数也越大。 6 对单 U和双 U两种形式不同回填料的

7、地埋管的大地有效导热 系数进行现场测试。测试中， 每个测孔保持、流量不变, 在测 量时间( 50 h)相同的情况下，测试并分析地埋管单位埋深加热 功率的变化对大地有效导热系数的影响。 6 西安交大的王沣浩等人提出用三维模拟数据反演计算热物性 参数时，输入不同的加热功率，对计算结果没有影响。但在实 际工程中，随着加热器输入功率的增加，测试得到的岩土热导 率越大，这可能是因为地下水渗流引起的，地下水流动会影响 到钻孔内外的传热过程，从而影响岩土热物性的测试结果。4,4.加热功率对热物性参数的影响,瑞典 Saqib 对9个相邻钻孔埋管进行不同条件下的岩土热响应实验。7 孔深：80米 测试时间：48-

8、320小时 功率：28-140W/米孔深 结论； 总体误差在5-15%。 50小时的测试（50-70W/孔深）后土壤恢复期为2-3周。 小于50小时的测试误差较大。 地下水丰富地区如测试功率较大将导致偏小的钻孔热阻。,4.加热功率对热物性参数的影响,4.加热功率对热物性参数的影响,华中科技大学胡平放团队提出了在加热电源中断或电压波动较大时的测试数据处理方法。 提出了改进的复合线热源模型，并结合叠加原理，提出了针对岩土热响应试验变热流情况下的数据反演计算方法.8,4.加热功率对热物性参数的影响,讨论： 浅层地热能勘查评价规范DZT0225-2009 中要求用 两种功率进行热响应实验的做法值得商榷

9、。 笔者认为是不必要的，既无价值，又增加成本。 取两种功率下结果的平均值-不能反映实际。,6.现场测定热物性的方法,相对于传统的定热流测试方法，河北工程大学的王华军等提出了定进水温度的现场测试方法。9 既可用于取热模式，也可用于排热模式，准确性高。为地下土壤的热平衡分析提供参考。 缺点是：控制要求高，费用高，数据处理方式复杂等。,6.现场测定热物性的方法,山东建筑大学的张磊等比较定热流和定进水温度两种测试方法，提出，定进水温度测试中达到稳态后的换热量不能代表实际运行工况中的换热量（负荷不同），设计计算中，用恒热流方法测定热物性更加准确。10 长安大学官燕玲研究发现用排热与取热分别实验计算，在以

10、导热为主的区域，结果基本相同（2012全国年会资料）。,6.现场测定热物性的方法,东南大学的单奎等人提出采用线热汇的方法对岩土特性进行现 场测定的方法，将埋管作为热汇处理11（取热方式）。其原理图如下： 采用最优化估计方法，推导 出土壤及回填材料的导热系数和土 壤的热扩散系数三个未知量。 该方法比用线热源的方法更接近 土壤源热泵的实际工作状态, 因此可 以认为该测试方法考虑了土壤热物 性随温度变化的影响，测试过程中 比线热源的方法更节省电能。,7、模型等研究,山东建筑大学于晓菲，于明志等认为一维实心圆柱面热源模型比现有的线热源模型和空心圆柱面热源模型能更好地描述竖直地埋管换热器与周围岩土的的传

11、热过程。12 利用一维实心圆柱面热源模型结合参数估计方法建立了一种可用于现场测量确定岩土热物性参数的方法。利用该方法对实际工程进行了测试分析，结果表明该方法得到的地下岩土热物性参数可信，可以用于工程设计。,7、模型等研究,张长兴，胡松涛 等针对地埋管地源热泵系统设计中的岩土热物性确定问题，以竖直形地埋管换热器的管式储热系统模型为基础，建立岩土热物性试验系统模型。13 ,7、模型等研究,通过系统模拟出的地埋管换热器进、出水平均温度与实测值的对比，以其差值的平方和为目标函数，利用系统优化的方法，对岩土的综合导热系数和热容量个参数实施优化，确定出其最优值通过具体算例，将优化算法确定的热物性参数应用于

12、不同的地埋管换热器模型（有限长线热源模型、柱热源模型、模型）中计算埋管平均水温，并与试验结果进行对比，结果表明：应用模型确定的热物性参数对应的水温差值的平方和最小，且试验系统模型计算的地埋管换热量模拟值与试验输入值的最大误差为。,7、模型等研究,美国 Beier 等建立了实验室大型沙箱（18mx1.8mx1.8m）,用铝管模拟钻孔，14 在此基础上建立了垂直埋管换热器模型与热响应测试分析参考数据库（Reference data sets）.可供相关研究者验证模型与热响应实验分析。,7、模型等研究,ValentinWagner 针对目前线热源模型考虑地下水影响不够的缺点，采用移动线热源理论，参数

13、估计法建立热物性测试模型，在3个不同的测试案例中得到验证。适用用地下水渗流较大，达西速度大于0.1m/天的情形。,7、模型等研究,中信武汉建筑设计总院雷建平等指出了地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005，2009年版），附录B中，地层热阻计算式（ B.0.1-5) 的错误。正确的式子应为（1） 15,（B.0.1-5）,（1）,B.0.1-6,7、模型等研究,华中科技大学胡平放提出 规范附录B中，制冷工况下，地埋管换热器传热介质设计平均温度tmax 的取值范围33-36度，偏高。依此温度设计将使地埋管夏季出水温度明显高于32，能效比低于普通冷却塔系统。16,7、模型等研究,地埋管

14、换热器钻孔长度计算公式（B.0.2-1)(B.0.2.4)中运行份额计算，不宜用机组运行小时数除以该运行季小时数，可考虑近似为折合满负荷运行小时数作为运行小时数。,7、模型等研究,中国建筑科学研究院朱清宇等完成“高精度岩土热物性测试仪的研究与开发”项目。 以高精度岩土热物性测试仪的研究与开发作为切入点，通过设备研发和实施岩土热响应试验，正确获得岩土热物性参数，将用户端的负荷变化情况与该参数通过耦合计算的方法，以动态的理念来指导整个地埋管地源热泵系统的设计，才是实现该系统经济性和节能性，彰显该技术环保高效的关键性因素。 将土壤热物性参数视为影响地埋管换热情况的关键参数，使其能够与空调系统的负荷变

15、化耦合在一起，以动态的方法指导地源热泵系统工程设计，纠正了以往按照每延米换热量这种十分不科学的设计思路和方法，,8.桩埋管地源热泵系统的热物性测试,现有国内外关于桩埋管地源热泵系统的岩土热物性测试的 研究较少。 中国香港的Min Li等针对桩埋管和垂直埋管提出了基于复 合介质线热源理论的温度响应函数（G函数），模型考虑了桩内 非稳态导热及复杂的几何配置问题。17 此模型的优点是新的G函数时候从埋管管壁到土壤处的温度 响应，不同于传统的温度响应（从钻孔壁开始），故该模型可 以用于分析钻孔或桩基内外不同材料导热系数和比热容的影响。 模型对于桩埋管系统，由于可以考虑桩内混凝土的导热系数 及比热容，故

16、可以比较准确的反映短期时间内的温度响应，可 适用于现场热物性测试。,8.桩埋管地源热泵系统的热物性测试,韩国的Hyunku Park等进行了PHC能量桩（prototype precast-high strength concrete (PHC) energy pile）的现 场热响应测试和性能评价，分别对W型和三U型桩埋管系统。18 进行现场热响应测试，时间为14h，由于时间较短，不能达 到热物性测试的要求，故建立数值三维模型，模拟72h运行情况。 比较前14h模拟与实测数据，吻合度很高。从而验证了三维模型 的可靠性。 用三维数值模型模拟了运行72h的数据，基于模拟数据用 线热源（斜率法）求

17、解了土壤导热系数和热阻，与实测导热系 数（用基于瞬时热源原理的热物性测试仪测试及经验数值所得） 进行了比较，W型相差2.5%,3U型相差5%（桩基直径0.2）。,8.桩埋管地源热泵系统的热物性测试,由于目前还没有统一的模型或实验对桩埋管热物性测试进行分析，华中科技大学建立可用于现场响应测试的复合圆柱源模型。 对于桩埋管换热器建立适用于短期时间内复合圆柱源模型，与线热源模型等进行了比较，对于桩基直径较大的系统，复合圆柱源模型明显优于线热源模型。 建立桩埋管换热器的三维数值模型 来验证其可靠性。 复合圆柱源模型与三维模型相比，在 测试时间48h内，有一定误差，误差值随着 傅里叶数Fo的增大而减小。

18、Fo（ ）反映 了钻孔内非稳态导热是否占主导作用，Fo越大 表明48h内非稳态导热占主导时间越短。,小结与分析,国内外关于岩土热物性测试的进展主要在模型及模型中各参数的确定方面。 由最初的线热源模型 向其它分析解，数值模型等发展。精度更高。但成熟应用的很少。 关于地下水的测试是一个难点，目前缺少成熟适用的方法。 测试仪器向更便捷方向发展。但仪器没有本质变化。,小结与分析,地温的测量由常规方法向光纤测试方向发展。 测试后的参数应用与设计的模型与方法很值得研究与统一。同样的热物性参数，使用不同方法设计可能得到差别很大的地埋管系统参数。规范禁止的根据单位延米换热量设计的方法仍在使用。研究与应用的差距

19、仍然较大。 建议一方面继续研究，一方面加强宣传推广。,参考文献,1 Richard A. Beiera J A. Vertical temperature prole in ground heat exchanger during in-situ testJ. Geothermics. 2012, 23(44): 32. 2 常桂钦. 地源热泵应用中的岩土热物性测试与分析D. 重庆大学, 2011. 3 颜亮，王沣浩，余斌. 地源热泵岩土热物性现场测试方法评价J. 暖通空调. 2011, 41(02): 75-79. 4 王沣浩，颜亮，冯琛琛，王新轲.地源热泵岩土导热系数测试影响因素分析。制冷

20、学报，2012,33（4）：16-22 5 Hikari Fujii H O. An improved thermal response test for U-tube ground heat exchanger based on optical ber thermometersJ. Geothermics. 2009, 38(399): 406. 6 宋春节，刘立芳，丁良士. 地埋管单位埋深加热功率的变化对大地有效导热系数测量的影响J. 制冷与空调. 2010(02): 26-30. 7 Saqib Javed,Thermal response testing:results and exp

21、eriences from a ground source heat pump test facillity with multiple boreholes. 11th RRHVA world congress & 8th international conference on ISQVEC. Iune 16-19,2013, Prague, Czech.,参考文献,8 Pingfang Hu, Qingfeng Meng, Qiming Sun, Na Zhu, Changsheng Guan. A method and case study of thermal response test

22、 with unstable heat rate. Energy and Buildings, 2012,48（5）:199205 9 Huajun Wang C Q. Improved method and case study of thermal response test for borehole heat exchangers of ground source heat pump systemJ. Renewable Energy. 2010, 727(35): 733. 10张磊，刘玉旺，王京. 两种地埋管换热器热响应实验方法的比较J. 制冷与空调. 2011(03): 277-2

23、80. 11单奎，张小松，李舒宏. 一种现场测定土壤源热泵岩土热物性的新方法J. 太阳能学报. 2010, 31(01): 22-26.赵秀峰，曹景洋，罗惠芬. 采用Hot Disk测量岩土热物性的实验研究 J. 中国测试. 2012(04): 106-109. 12于晓菲，于明志，张磊，方肇洪。基于实心圆柱面热源模型的岩土热物性测试方法，2012,63（5）：84-87 13张长兴,胡松涛,刘玉峰,丛晓春.基于系统优化的岩土热物性确定方法,浙江大学(工学版)，2012,46（12):2237-2242,14 Richard A. Beier, Marvin D. Smith, Jeffrey

24、 D. Spitler. Reference data sets for vertical borehole ground heat exchanger models and thermal response test analysis， Geothermics 40 (2011) 7985 15雷建平，,於仲义，关于(地源热泵系统工程技术规范地层热阻计算式的商榷及应用分析，湖北土建，2009,38（2）：68-72 16 胡平放,孙启明,雷飞,邬田华,孟庆丰,余伟之.岩土热物性测试若干问题探讨，制冷与空调，2012,12(4):109-111 17Min Li, Alvin C.K. Lai. New temperature response functions (G functions) for pile and borehole ground heat exchangers based on composite-medium line-source theory. Energy 38 (2012) 255-263 18Hyunku Park,Seung-Rae Lee ,Seok Yoon , Jung-