200_岩土热响应试验测试仪的开发与应用

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1、岩土热响应试验测试仪的开发与应用中国建筑科学研究院李永王智超李效禹摘要开发一套岩土热响应测试仪，介绍其原理与组成，以及配套开发的控制软件、数据采集软件、数据处理软件的功能和使用方法。使用所开发的仪器进行现场实测，测试结果表明，该设备及配套软件完全达到预期性能指标，能够在今后对外开展岩土热响应试验的工作。关键字热响应试验；岩土热物性；地源热泵；现场测试1引言地埋管地源热泵是利用地下常温土壤相对稳定的特性，在投入少量高温能源的基础上，通过埋在地下的换热器与大地进行冷热交换，实现供冷供热的目的。冬季，地源热泵提取大地中的低位热能向建筑物供热，同时在土壤中储存冷量，以备

2、夏用；夏季，将建筑物中的热量转移到地下，实现供冷，同时在土壤中储存热量，以备冬用。所以，地源热泵技术是一项高效节能、有利于环境保护和可持续发展的空调冷热源技术[1]。地下岩土热物性参数是设计地源热泵系统地埋管换热器的基础数据。目前，国内许多单位在实际的地源热泵系统设计中，简单的按照每延米换热量来进行地埋管换热器的设计，随着对地源热泵系统研究及应用的不断深入，此方法的弊端逐渐显露出来，如无法确定机组在峰值负荷下的运行参数，也就不能选取合适的机组来匹配地埋管换热器系统，无法判断地下吸、放热的不平衡对系统造成的影响，此方法不但给地源热泵系统的长期稳定运行埋下了很多隐患

3、，而且还往往增加了系统的初投资。Kavanaugh[2]的研究表明，当地下岩土体的导热系数有10%的偏差时，设计的地下埋管换热器长度偏差为4.5%~5.8%。所以准确测试岩土热物性参数已成为地埋管换热器设计的关键问题。国标《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009年版）提出了一套进行岩土热响应试验的方法[3]，本文介绍了根据规范要求研制的岩土热响应试验测试仪，以及相关的数据采集和数据处理软件的功能，并应用该测试仪进行了现场测试，对测试数据进行了分析。2测试仪原理与功能图1为测试仪原理图。该测试仪主要由电加热器、循环水泵、温度传感器、压力传感器

4、、电磁流量计、电量变送器和电压控制模块以及数据采集和控制系统组成。图1岩土热响应试验测试仪原理图使用时，测试仪中的管路与地埋管换热器的地下回路连接，循环水泵驱动载热流体在回路中循环流动，载热流体经过加热器加热后流经地下回路，并与地下岩土进行换热，连续测试记录地埋管换热器出、入口流体温度、流量等数据。图2为所开发测试仪的外观图。该装置主要部件的参数如表1所示。图2岩土热响应试验测试仪外观图表1装置主要零部件及技术参数序号名称技术参数1离心式循环水泵流量：2.5m3/h；扬程：15m；功率：0.37kW。2电加热器12kW3电量变送器380V，3相，精度0.2级4电

5、磁流量计DN15涡轮，0.6~6m³/h，4~20mA输出，精度0.5%5压力传感器0~200kPa，4~20mA输出，0.5%精度6温度传感器（PT100热电阻）A级，Φ6恺缆，PT100，加混流器该装置具有精度高、运行稳定、操作方便的特点，配套开发的数据采集与控制软件，在将项目相关参数和加热功率以及数据采集周期输入后，便能实现测试时的无人值守。加热功率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.试验过程中，可以查询各参数的实时监测曲线，以确保试验结果的正常；试验结束后，

6、可以将试验数据和各个参数的变化曲线导出。系统中还配置了声光报警，在加热器内水温过高和整个试验系统缺水时，报警便会启动，以及时排除故障。数据采集和控制软件相关界面见图3、图4。图3项目相关参数输入界面图4数据采集与控制界面3岩土热物性计算方法岩土热响应试验要确定的参数包括岩土体初始平均温度、地埋管换热器周围岩土体导热系数及钻孔内热阻。文献[3]要求在测试孔完毕后，应将测试孔至少放置48h以上，使测试孔内温度逐渐恢复至与周围岩土体温度一致。在热响应试验开始时，首先启动循环水泵，进行1小时的零加热功率试验，最后一个时刻所采集的地埋管换热器进、出水平均温度为岩土体初始平

7、均温度。之后，系统将自动按设定的加热功率进行加热，并按设定时间间隔连续记录数据，直至试验结束。关于岩土体的导热系数，文献[4]比较了线热源斜率法、双参数估计法和三维数值模型法3种岩土体热物性计算方法，认为3种热物性确定方法结果基本接近，比热容对导热系数影响很小,对钻孔热阻有一定影响。按照国家规范提出的线热源模型假设，由于测试初期阶段实际埋管孔内传热并不符合假定,即会受换热管和回填材料导热系数、管位置、间距等的影响,甚至可能尚未发生填埋孔与岩土的热交换。显然,开始测得的数据对于参数估计具有不良影响。已有研究表明舍弃10h数据能够满足假设[5]。本文采用了线热源斜率

8、法来计算岩土体导热系数，