地源热泵热响应测试试验数据的分析与影响，地源热泵热响应测试试验的探讨与分析，
随着低碳概念的逐步提出，今年地源热泵*空调项目在全国几乎是遍地开花。土壤源热泵系统更是受到青睐，根据规范《地源热泵系统工程技术规范》2009年版的要求，土壤源热泵项目要进行土壤热物性的测试，但是热物性测试却没有具体的测试模式。
测试仪器的工作原理均以线源(或柱源)模型与传热模型为理论依据，但试验方法有所差异。一是为“恒热流法”，采用电加热器提供稳定热量，记录进出口温度随时间的变化，并利用数学模型反演岩土体平均导热系数和孔内热阻。不直接提供“每米钻孔的换热量”的数据。可以根据传热模型模拟地下岩土层以及回路中温度的短期或长期(1年)的变化，计算得到地埋管换热器总长度。另一种方法是“稳定工况”或“恒温法”，冷热源建立稳定地埋管换热器运行工况(进水温度和流量为某一定值)，根据岩土体的冷、热响应情况逐渐稳定冷、热源的冷量或热量输出(出水温度和流量)，可直观获得每延米换热量。还可利用数学模型反演岩土体的导热系数及地埋管换热器的综合传热系数。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。这二种试验方法前一种应用较为广泛，后一种试验方法较直观。但目前，由于对岩土体物性参数测试的认识还在逐步深入，还不能说后一种方法是错误的，这个问题希望在今后的实际试验中得到证明。
中国地质环境监测院和地温专委会于2009年3月7日在北京联合召开了“地埋管换热器热响应试验测试仪应用研讨会”。中国地质环境监测院总工李文鹏教授代表院领导到会，并向参加会议的各位专家和代表表示热烈欢迎。他指出：地源热泵技术在国内已经广泛应用，它是水文地质工程地质与暖通空调两大专业结合。同时也促进这两个专业的拓宽和延伸。作为一个较新型的交叉学科技术，有很多新知识我们需要学习。这次召开的“地埋管换热器热响应试验测试仪应用研讨会”就是一个两大专业结合的尝试。目前，国内对于这种仪器的研发和应用仍然处在初始阶段。我们非常高兴为大家能提供一个平台，各部门的同行聚集在一起交流经验，探讨问题，展望前景，这是一项十分有意义的事情。我们作为地质环境监测部门，十分重视地源热泵工程对地下环境的影响。地源热泵技术的广泛应用，尤其是对岩土体温度的影响已经达到不能忽视的地步。我们希望通过这次研讨会，为今后地源热泵系统设计提供更准确的参数，为地质环境监测与保护工作提供新的技术支撑。
参加会议的有全国10多家拥有测试仪器的单位，其中包括北京地质勘查技术院、吉林大学、中航勘察设计研究院、河北工业大学、中国建筑科学研究院、山东建筑大学、北京工业大学、华中科技大学、北京枫叶能源科技有限公司、天津地热勘查开发设计院、上海地矿工程勘察院和浙江省工程物探勘察院。参加会议的还有中国标准化研究院、中国地质*水文地质环境地质研究所、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、长安大学、北京恒有源科技发展有限公司、河南省地热研究院有限公司、浙江省地质调查院，地源热泵领域的老专家吴元炜教授、丁良士教授以及暖通空调和地质学专业的产学研的专家、代表共40多人。会议对地埋管换热器热响应试验测试仪的研制、应用、规范和存在的问题等方面进行深入热烈的讨论。
代表们认为，测试的主要目的是了解岩土体的基本物理性质，在此基础上，掌握岩土体的换热能力，为地源热泵系统设计人员结合建筑结构、负荷特点等设计系统优化方案提供基础数据，以保障系统长期运行的与节能。随着我国地源热泵技术的蓬勃发展，系统出现问题的增加，地埋管换热器的设计工作受到越来越多的重视，因此近几年国内出现一批地埋管换热器换热测试设备。岩土体热物性参数测试工作也逐步被业内人士所关注。目前国内对地埋管换热器换热测试设备没有统一的规定，名称也各不相同，常见的有：
⑴ 土壤热物性测试仪
⑵ 岩土热物性测试仪
⑶ 热响应测试仪
⑷ 浅层地热能冷、热响应测试仪
⑸ 浅层岩土体热物理性能原位测试仪
国内当前使用的仪器设备大部分为自行研制，各种技术指标存在较大差别，经常出现在同一地点，不同仪器设备所测试的结果产生较大的差距。为了使仪器设备发挥正常功能，为地源热泵工程设计提供较准确的数据，有必要对测试仪器设备，测试数据校核标准、以及提交报告内容等进行规范。会议对测试技术的发展、现状以及存在的问题进行了广泛的探讨。
1.国内外测试技术发展现状
(1)发展现状；在20世纪80年代以前，研究地热能的技术人员通常在钻孔中采集岩土样品，实验室中通过稳态测试法确定平均导热系数。这种方法在地热协会的多项研究课题中得以应用。虽然上述过程在取样、分析中误差较大，但仍然广为应用。随后又提出瞬态测量的探针法确定岩土体的平均导热系数，这在一定程度上减小了测量时间和测量误差。然而，在一些实际工程应用中，探针法在测量区域和测量深度上都存在局限性，其数据的重复性和可靠性都不理想。20世纪80年代中期以后，随着地源热泵技术在一些欧美国家的推广应用，岩土体热物性测试技术，即野外现场原位测试技术应运而生。1983年，瑞典Morgenson就把这种测试土壤传热特性的方法定义为“热响应”。1995年他就开始建设这个测试实验。1996年，Eklof与Gehlin利用同样的方法探讨并设计出一套可移动的测试设备，研制了测试设备——TED。根据热响应原理，就可以估计出土壤的热容。Gehlin与Nordell利用这套可移动的测试设备，对瑞士各地的土壤传热特性进行测试，于1998年公布了他们测试的土壤传热特性数据，并应用于地源热泵工程。随后德国、美国、加拿大、荷兰、瑞士、挪威、英国、土耳其、韩国等国家相继开发了多样形式的测试装置(如便携式、车载式等)，积累了丰富的实践经验和大量的数据。有些企业已经批量生产这种测试仪，为地源热泵系统研究、设计和施工部门提供设备或承担测试任务。例如美国Ewbank Geo Testing pioneers in-situ thermal conductivity testing公司, 美国奥克拉荷马大学(Mechanical Engineering Technology Oklahoma State University)；美国奥勒冈州技术研究所地热中心(Oregon Institute of Technology, Oregon)；荷兰(Groenholland BV, Amsterdam);瑞士洛桑联邦理工大学(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL),Switzerland)；英国地热公司，绿色能源公司、米勒桩基工程有限公司等(geowarmth公司; Lankelma Green Energy Ltd; Miller Piling Limited)；德国加斯特-莱比锡大学和斯图加特大学等(Justus-Liebig- University Giessen, Germany，University of Stuttgart,)瑞典伦德大学(Lund University)等单位在近十多年来在物性参数测试方面开展了大量试验工作。并取得了大批岩土体的基础数据。
仪器设备的形式多数为车载(或拖车)式，随车运输方便，自身可携带发电机等辅助设备，但在车辆不能通过的地带受到限制。中型箱柜式使用时，需车辆运输并人工(或机械吊运)搬运到现场，场地不受限制。便携式测试仪体积小，携带方便，操作简单，不受场地影响，但易受外界温度影响。
(2)国内发展现状；2000年之后，我国有关科研院所和企业单位也先后开始研制岩土体热物性测试仪，只有一家企业(际高公司)从国外全套引进热物性参数测试仪，截至目前已有13家拥有这种仪器。其中，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司采用物联网GPRS采集器，无线传输至WEB端网络，山东建筑大学的为大型测试仪，中国建筑科学研究院、际高公司、北京工业大学、北京枫叶能源科技有限公司、河北工业大学、华中科技大学、南京丰盛能源环境科技发展有限公司的为箱柜式，北京地质勘查技术院、吉林大学、中航勘察设计研究院、天津地热开发设计院、上海地矿工程勘察院、浙江省工程物探勘察院为车载式。其性能各有特点，它们在地源热泵工程设计中发挥了很大的作用。
2.测试问题
(1)测试内容；测试仪器都是要测得地下原始温度，地埋管内的循环水进出口温度与流量随测量时间的变化。这一点是共同的。但经过进一步的计算(或者说是计算方法)，一种方法计算得出系统所需“地埋管总长度”，另一种方法计算得出“单位延米换热量”。
(2)测试工况；部分代表提出，恒加热功率岩土体热物性测试仪旨在取得岩土体平均导热系数，只有在进行多功率加热实验时，才能在一定程度上了解地埋管换热器的排热特性。但是，从当前的发展趋势上看，许多科研院所和企业单位都设计了冷/热双工况的岩土体热物性测试仪，这有利于全面评价岩土体与地埋管换热器之间的换热能力。尤其是对于以冬季负荷为主设计的地源热泵系统，恒加热功率岩土体热物性测试仪就显得力不从心。此外，测试工况的有效性可以通过拟合“延米换热量-流体平均温度”曲线来衡量。理论上，上述关系呈线性变化。如果实验数据偏离线性较远，需要补做实验。一般而言，在正常情况下，至少要分别进行二个排热工况和取热工况。
另一部分代表认为，进行热工况或冷工况试验所取得的参数差别不大。因此，没有必要进行两种工况的试验。而且，开展两种工况的试验要延续较长的时间。上一般采用热工况试验就可以求得物性参数，满足地源热泵系统设计要求。
(3)测试方法；北京工业大学、山东建筑大学等单位提出，岩土体热物性测试仪采用的“恒热流法”，即通过电加热器提供一个稳定的加热功率，记录进出口温度随时间的变化。在地埋管换热器与土壤的传热过程中，管内流体进出口温度逐渐升高，经历足够长时间后趋向于稳定状态。根据上述动态变化数据，经过一定的数学模型处理后，可以获得当地岩土体的平均导热系数。采用恒功率的电加热，仪器的结构和控制都比较简单，测试精度也比较容易保证。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。得到了岩土体热物性数据后，可以根据一定的传热模型预测地下岩土层以及回路中温度的短期、中、长期的变化，或按设计规范计算得到地埋管换热器的总长度。采用“恒热流法”确定岩土层的热物性是地源热泵协会(IGSHPA)的标准和美国采暖制冷与空调工程师学会(ASHRAE)手册所推荐的方法，也是上通行的做法。
另一种方法是以北京地质勘查技术院为代表的“稳定工况”或“恒温法”，冷热源建立稳定地埋管换热器运行工况(进水温度和流量为某一定值)，根据岩土体的冷、热响应情况逐渐稳定冷、热源的冷量或热量输出(出水温度和流量)，可直观获得每米换热量。还可利用数学模型反演求得岩土体的导热系数，及地埋管换热器的综合传热系数。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。
目前对于“恒热流法”和“恒温法”这二种试验方法应用都较为广泛，而且，也是目前争论多的问题。部分代表认为，“恒热流法”与“恒温法”是有本质(基础理论方面)区别，采用的基础理论不同。“恒热流法”采用的是瞬态导热的反问题法：根据温度场(温度分布)，确定导热物体的热物性，如：导热系数、比热容等。而“恒温法”是预设一个温度(场)，测定该温度(场)下，导热物体的传热量。这一方法的本质是稳态导热的正问题。即在一定的温度条件下，测定导热物体的传热量。
前一种是通过导热系数计算孔(或地埋管)长度方法，计算较复杂。但结果更准确，推荐设计时采用。另一部分代表认为，“恒温法”计算比较简单、容易掌握，可以直接确定单位米数换热量值，可以满足地源热泵系统设计要求，数据所产生的误差是在允许范围内的。目前，在理论和实践方面仍在继续完善。
对后一种试验方法持有不同意见，认为这种方法没有理论基础，忽略了包括换热能力随时间变化等因素，误差较大，可作为方案估计时采用。这两种方法的计算结果看，虽然分别获得的钻孔总长度有一定差异，但由于对岩土体物性参数测试过程的掌控水平、仪器设备本身的非规范化，以及地质条件的复杂性都会影响测试结果，导致对测试方法的疑虑。鉴于对测试理论和方法的认识还在逐步深入，目前，这个问题将有待于在今后的工程实践中得到证明。
3.《规范》中的测试问题
(1)《地源热泵系统工程技术规范》中C.4.7【条文说明】中指出“无论对其进行放热或是取热试验，其导热系数、比热容等热物理性质不会发生改变。因此本规范中统一采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行岩土热物性参数的测试。”，从这一点看热物性测试方法不应只有一种。规范规定只用放热试验方法是不全面的，因此，不能排除一些仪器设备取热试验的测试结果。
(2)C.4.9“岩土热物性测试报告”内容3中要求提供“参考标准”，这一标准的来源哪里？其他地区的物性参数的可比性不大，此条意见值得探讨。
(3)在《规范》中C.4.9“岩土热物性测试报告”内容6中提到“钻孔单位延米换热量参考值；”一些代表提出疑义，认为“恒温法”测试还存在问题。建议，此修改过的《规范》应先试行一段时间，再经过实践，对问题进行修改后正式执行。另一部分代表提出，不论用什么方法测试，终设计单位要的数据是“单位延米换热量或地埋管总长度”。
4. 测试工作的隶属问题
华中科技大学环境学院等单位提出，关于测试工作的归属问题，国外的专门测试公司是不参与地源热泵系统设计与施工的独立单位，国内尚无这种相对独立的测试单位。目前科研、院校、设计、勘察、施工(集成商)等单位都有测试仪器，并开展工程测试工作。大部分设备是为本单位的工程服务，这样缺少监督机制。代表们认为，随着地源热泵技术不断成熟，应用范围和规模不断扩大，相应的规程规范应不断完善。为了保证数据的客观公正性，测试工作应由独立于设计、施工(集成商)以及工程甲方以外的单位执行，按规范要求使用经过检定的仪器仪表测试。
5. 标准化问题；
吉林大学建设工程学院和中航勘察设计研究院提出，目前建立“标准地质孔”难度较大，但可以建立人工环境，在实验室建立用人造材料模拟地下换热器的工作环境，对测试仪器进行校核与标定，以解决地下环境的多种不确定因素影响测试仪器的校核与标定。山东建筑大学提出，为了得到可靠的数据，需要对“恒热流法”试验的条件进行规范。
中国标准化研究院、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心等单位指出，由于此项测试仪器属近几年出现的新仪器，国家还没有相关的规程和条文进行规范和标准化。根据当前地源热泵技术的快速发展，需要制定统一的测试仪器数据标准技术规范，引导监测设备产业的良性发展，为实现测试数据共享、业务协同和信息沟通共享通道提供基础平台。为了地源热泵技术，包括测试技术的健康发展，要开展一系列的标准化工作：针对目前行业的发展现状，我们也愿意与行业协会一起先把标准化工作开展起来。
一、明确当前我们制定标准的目的
1， 规范市场，包括有一个统一的平台，让所测试的数据有可比性，使测得的数据拥有性。
2， 可监督性，目前对这项技术的节能、环保作用要有可靠的途径和手段进行监测，让监督部门认可，这可以通过标准化工作进行解决。
二、建立完善的标准体系。
虽然目前在技术上存在不同的方法和意见，但我们可以根据实际情况达成一个初步的一致意见。对一些设备、方法等进行标准化，对行业发展是有宜的。通过标准体系的建立，引导规范市场、科学评估地源热泵技术的节能潜力和效果，要做一系列的标准化工作。建议探讨制定以下类别的标准：
第1类，测试设备标准。对设备提出技术要求，如功能、仪表的准确度等。
第二类，测试方法标准。重点是规定测试工况、测试方法、计算模型、测试报告格式等。在实际测试中，应充分考虑我国地理气候差异和工况的差异。
第三类，节能环保效益评估标准。国家去年出台了许多鼓励政策，对节能环保项目要有环保节能效益评估才能得到财政支持。如何评估这类项目，虽然有些单位也在做，但我们可以把它统一标准化。
第四类，工程技术规范，这方面建设部也在做，是单列的，由建设部和国家质检总局联合颁布。
第五类，监测类标准。在其他能源类工作中，已经制定了一些监测标准。建议针对地源热泵系统也应研究制定监测标准。现在各地都有节能监测部门，各级主管部门都落实了节能目标。今后，国家对各省市都会定期进行节能指标评估。通过标准这个工具，可以使监督检查落到实处。因此设法对项目进行有效的监测，是将来一个发展方向。
第六类，经济运行标准。工程在设计、施工之后，运行管理问题是一个不容忽视的问题。这是一个工程优化运行的问题，管理难度较大。这类标准，建议行业和企业也考虑一下。
通过这几类标准，初步建立一个体系、形成系列标准，指导行业健康迅速发展。
通过此次会议基本了解了我国物性参数测试工作的概况及存在问题，大部分问题还处在不完善、探索阶段，还需要在今后的工作中不断总结经验，提高实际数据的理论分析与研究。会议还对物性参数测试工作中应注意的其他问题进行了广泛的讨论，与会者认为本次会议讨论的内容实际、深入，有收获，希望今后对一些有争议的问题开展专题讨论，以指导地源热泵技术的健康发展。
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