199_一种岩土热响应试验测试仪的技术研发

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1、一种岩土热响应试验测试仪的技术研发中国建筑科学研究院张自强王智超高松李永金喆摘要通过对地源热泵系统的基本原理和国家规范的论述，介绍了一种岩土热响应试验测试仪的研制和应用技术，解读了国标内相关技术内容，并以中国建筑科学研究院生产的岩土热响应试验测试仪为例，说明了岩土热响应试验测试仪的研制与开发过程。关键词地源热泵系统土壤热物性热响应试验土壤导热系数1.概述众所周知，地源热泵空调系统与其它空气调节系统相比有着突出的优点，具有换热效率高、噪音低、占地少、无污染、不用抽取地下水、运行维护费用低、寿命长等特点。故，近年来我国地源热泵系统的发展非常迅速

2、，据建设部2008年发布的数据：截至2007年底，全国地源热泵系统应用面积近8000万平方米。随着地埋管地源热泵系统研究和应用的不断深入，2005年我国就发布了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005，并为了指导正确获得岩土热物性参数于2009年专门进行了修订，这样就使该规范更加完善合理，统一规范岩土热响应试验方法，正确指导地埋管地源热泵系统的设计和应用。土壤源热泵的应用具有地域特性，不仅不同地区应用情况不同，就是同一地区也会因为地质条件的差异而有所不同，所以土壤特性的测试工作十分重要，但现在测试方法和设计方法的不完善，

3、使得系统的实际运行状况并不理想，多数选择大容量的地埋管系统，造成投资的提高及资源的浪费。作为指导地源热泵系统设计的依据，岩土热物性及地埋管换热器换热效率至关重要，所以岩土热响应试验测试仪必将具有广阔的应用前景。2.岩土热响应测试仪设计依据岩土热响应试验测试仪的设计，完全参照国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009修订版）岩土热响应试验方法的需要，测试仪采集参数的应用方法完全满足试验要求。2.1试验测试和输出报告内容(1)测试仪能够自动采集到岩土的初始平均温度、地埋管进出口水温度、流量以及试验过程中向地埋管换热器

4、施加的加热功率等。(2)试验报告应包括项目相关信息、测试方案、参考标准、测试过程的相关记录、岩土热物性实验参数结果等。2.2需要测试的参数根据国标要求，试验过程相关的以下三个参数必须达到如下要求：(1)在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于±1%。(2)流量的测量误差不应大于±1%。(3)温度的测量误差不应大于±0.2℃。2.3测试仪试验方法试验仪的应用设计应严格按照国标的要求，方便与现场水电设备的连接，并且适合现场安装和保护的需要。试验仪应能满足现场需要。(1)系统能够连续不间断的工作48h以上；(2)试验期间，加热功率应保持

5、恒定；(3)地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于初始平均温度5℃以上且维持时间不应少于12h。(4)地埋管换热器内流速不应低于0.2m/s。(5)试验数据读取和记录的时间间隔不应大于10min。1.测试仪的原理和构成3.1理论分析根据国标《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009修订版）提供的试验方法，认为岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热还是取热试验，其数据处理过程基本相同，所以规范中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。故，测试仪的设计可以只针对放热试验的需求，但必须严格实现

6、系统的恒热流输出和精确的流量以及地埋管出水口和进水口温度的检测。3.2工作原理及系统构成地源热泵的工作过程是通过循环液在封闭的地下埋管中流动,与地下岩土进行热量交换（如图1所示）。而地温在20m之下基本常年不变,年平均温度一般高于当地大气平均温度的2～6℃,这使得地下岩土层冬暖夏凉,从而很好的为建筑空调系统提供较多的热交换能量。同样的岩土热响应测试仪的工作原理就是模拟地源热泵系统，通过向地下输送已知的热量来检测地下岩土的换热特性，从而得到地源热泵系统设计所需的岩土热物性及地埋管换热器换热效率等参数。图1测试仪基本构成原理图(1)恒热流的输出

7、：由高精度的功率调节模块和电能计量模块实时监控，系统通过PID调节，严格的实现系统的恒热流输出，同时该控制方式可以很方便的实现无级调节，使试验更加接近实际需要；(2)地埋管出水口和入水口温度的检测：采用高精度的温度传感器，实现出入口水温度的实时测量，为地埋管换热量的准确测量提供依据；(3)恒热流的计量：系统设置高精度流量传感器，实时检测地埋管内水流量，为地埋管换热量的准确计算提供依据；(4)软件系统：为了提高测试的精度，杜绝人为因素影响测试结果以及降低操作人员的劳动强度，系统需要配备界面友好的软件系统，实现试验的自动控制和测试结果的自动计算

8、；3.1测试仪系统运行逻辑测试仪应该具有较高自动控制功能（如图2所示），试验开始后，系统会自动的维持正常的工作状态，包括恒加热功率的控制、实时的采集和显示数据以及试验达到设置时间