热响应试验
摘要：本文综述了地埋管地热换热器热响应试验技术的发展和现状，介绍了美国相关的标准和技术要求。对我国现存的两种热响应试验方法，即“恒热流法”和“恒温法”，进行了评价，指出：对于大中型的地埋管换热器项目，应当现场测试岩土体的热物性，并按规范的要求进行地埋管换热器的设计计算。
关键词：地源热泵地埋管换热器热响应试验现场热物性测试
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，而应用这一新技术的障碍之一是它的初投资较传统的供热空调系统偏高，其中地埋管换热器的投资通常可占整个空调系统初投资的1/3~1/2，而钻孔的成本又是地埋管换热器总投资的主要组成部分。因此，恰当地设计地埋管换热器对于推广地源热泵技术，特别是对于大中型的项目，有着特别重要的意义。
1 热响应试验
地下岩土体的导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数[1]。然而地下地质结构构成复杂，即使同一种岩石或地质成分，其热物性参数相差也比较大。如果物性参数不准确，则设计的埋管系统有可能不能满足负荷需要；也可能规模过大，从而大大增加初投资。
由于地埋管的深度可达80~150m，穿透不同的地层，在现有的计算模型中通常要求在该深度范围内岩土体的平均热物性值，所以通过现场试验确定地下岩土的平均导热系数是国际上通行的做法。这种试验也被称作地热换热器的“热响应试验”。美国的俄克拉荷马州立大学（OSU）在开发应用现场测试岩土热物性技术方面进行了持续不懈的努力，在1976年就已经奠定了该技术的理论基础[2]。在1995年首先在瑞典[3]和美国[4]几乎同时把该技术应用于工程实际。具体做法是在将要埋设地热换热器的现场钻孔，在钻孔中埋设U 型管并按设计要求回填；在回路中充满水并与测量装置联结，在地下温度场基本恢复后对循环回路以恒定的功率加热（或冷却），让水在回路中循环流动，并测量回路中水的温度随时间的变化。一种典型的热响应试验装置的示意图如图1所示。
确定地下岩土的导热系数需要求解传热反问题，通常采用的数学模型是线热源模型[5，6]，或数值分析模型[7，8]。根据测得的数据，可以采用参数估计方法计算得到钻孔周围岩土的平均热物性参数。现在世界各国大体上都采用这一方法做热响应试验，国际地源热泵协会（IGSHPA）的标准[10]和美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）手册[11]都推荐这一方法。国际能源机构（IEA）起草的关于热响应试验的指导文件中同样采用恒热流方法[12]。我国最早的有关地源热泵系统现场热物性测试的报道是2000年山东建筑工程学院的项目[13]以及后续的以于明志为主完成的工作[14~16]。近年来在我国可以见到更多
基于恒热流法的测试工作的报道[17~19]。
我国2005年颁布的《地源热泵工程技术规范 GB50366-2005》（以下简称“规范”）要求对工程场地岩土体地质条件的勘察应包括岩土体的热物性。现在国内出现了两种不同的试验方法，正在引起业内人士的讨论。为对这两种方法加以区别，可以把上面提到的方法称作“恒热流法”，我国最近推出的方法称为“恒温法”。两种方法在试验的目的和总体思路上是有较大的差别的。
2 恒热流法热响应试验的技术要求
采用“恒热流法”确定岩土层的热物性是国际地源热泵协会（IGSHPA）、美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）和国际能源机构（IEA）所推荐的方法，也是国际上通行的做法。它通常采用恒功率的电加热，试验中记录循环水进出口温度随时间的变化，因此仪器的结构和控制相对比较简单。在荷兰[6]、德国和瑞典也有少数采用热泵作为冷热源进行热响应测试的报道，但保持循环水的流量和进出口温差不变，仍然保持“恒热流”的特点。当采用热泵时，除了对岩土体进行加热之外也可以进行冷却工况下的测试。
这种方法主要可用来确定岩土层的平均导热系数以及钻孔内的热阻，它并不直接提供所谓的“每米钻孔的换热量”的数据。得到岩土体热物性数据后，可以根据一定的传热模型模拟地下岩土层以及回路中循环液温度的短期、中期（一年）和长期（多年）的变化，并相应地采用适当的软件或按设计规范计算得到地埋管换热器的设计总长度。这是美国的标准和我国的《规范》要求的方法。当然根据冷热负荷的设计最大值，最终也可以得到“每米钻孔的换热量”这样一个参考指标，但这是设计完成后得到的结果，而不是设计中需要的指标。
ASHRAE和IGSHPA对地热换热器热响应试验的设备和技术提出基本相同的要求。ASHRAE手册[11] 中对现场热物性测试的具体要求是：
1）热物性测试的时间应为36~48 h。（注：IEA的指导意见是大于48 h。）
2）加热功率应为每米钻孔50~80W，大致为实际 U型管换热器高峰负荷值。
3）加热功率的标准差应该小于其平均值的 1.5%，最大偏差应小于平均值的±10%；或由于加热功率的变化引起的平均温度值对于T（温度）-log （t时间的对数）坐标上的一条直线的偏差应小于0.3 K。 4）温度测量和记录仪器的精度应为±0.3 K。
5）功率传输和记录仪器的综合精度应为读数的 ±2%。
6）U型管内的流速应适当，以保证U型管进出口温差为3.7~7 K。
7）对于低导热率（k<1.7 W/(m·K)）的岩土体，建议在完成埋管和回填5天以后再开始热物性测试；对于高导热率（k>1.7 W/(m·K)）的岩土体，则建议在完成埋管和回填3天以后开始热物性测试。
8）地下岩土体的初始温度在上述等待期以后测试，可以在注满水的管中在三处不同的深度直接插入测温元件测定并求平均值，或在循环泵刚启动后测定 U型管的出口水温代表岩土体初始温度。
9）数据采集的频率不少于10分钟一次。
10）所有地面以上的管路应采用厚度不小于13mm的闭孔隔热材料或具有同等效果的措施进行保温。试验装置应设置在由不小于25mm玻璃纤维层隔热或具有同等隔热效果的密闭小室中。
11）如果需要对钻孔重新进行测试，则需要等U 型管回路中的温度回复到与初始温度的差值不大于 0.3 K方可进行。如果已经进行了完整的48 h测试，对于中等或高导热率的地层，这一过程通常需要10~12 天，对于低导热率的地层，则需要14天。如果已经进行的测试时间较短，则等待的时间也可相应缩短。
3 恒温法热响应试验
“恒温法”的热响应试验是近年来在我国开发的，已有华清集团[20,21]、河北工业大学和东南大学等单位应用的报道。该方法在试验中保持进水温度一定，再由测得的流量和回水温度得到回路中的换热量，对于测试的细节没有见到足够详细的描述。采用的加热热源可以是电热元件，也可以是热泵。由于要设法保持回路的进口温度保持不变，在热（冷）源部分必需有控制装置进行调节。这种方法的主要目标是确定在“稳定”状态下每米钻孔的传热量，虽然在理论上也可以通过建模和参数估计的方法求出岩土体的热物性，但在见到的文献中还没有见到由此确定岩土体热物性的理论模型和计算方法的报道。
