现场热响应试验测试数据对比及应用分析

摘 要：勘查评价浅层地热能地质条件及换热能力是高效开发浅层地热能资源的关键基础，对高效、可持续利用浅层地热能起着举足轻重的作用。不同区域地质条件千差万别导致地下换热效果不同，目前现场热响应试验，是地埋管地源热泵系统区域调查评价和应用项目场地勘查中，采用的重要勘查手段。通过现场热响应试验获得地温场初始地温、岩土体的热物性参数，计算得出每个地埋孔的换热能力即换热功率，可为评价地埋管地源热泵系统适宜区域的浅层地热换热功率提供依据，指导地埋管地源热泵系统地下换热系统设计。本文主要对地层初始地温、不同测试功能测试所得数据，进行了对比及应用分析，对指导现场热响应试验的科学合理应用，具有重要的参考意义。

关键词：现场热响应试验;初始地温;稳定工况;稳定热流

中图分类号：TU83    文献标识码：A   文章编号：1007-1903（2019）04-0005-05

Abstract： Exploration and evaluation of shallow geothermal geological conditions and heat transfer capacity is the key basis for efficient development of shallow geothermal resources， which plays an important role in the efficient and sustainable utilization of shallow geothermal energy. Different geological conditions in different regions lead to different underground heat transfer effects. At present， in-situ thermal conductivity test is an important exploration method used in regional investigation and evaluation of buried pipe ground source heat pump system and site exploration of applied projects. The original ground temperature and thermal physical parameters of rock and soil are obtained by field thermal response test. Calculating heat transfer capacity of vertical ground heat exchanger. It can provide a basis for evaluating the shallow geothermal heat exchanger power in the suitable area of ground source heat pump system with buried pipes， and guiding the design of ground heat exchange system for ground source heat pump system with buried pipe. This paper mainly analyses the comparison and application of the data obtained from the original ground temperature and different test functions. It has important reference significance for guiding the scientific and rational application of field thermal response test.

Keywords： In-situ thermal conductivity test; Initial ground temperature; Steady working condition; Steady heat flow

0 前言

随着绿色发展理念、加强生态文明建设、清洁供暖战略的提出，国家一系列规划及鼓励政策相继出台，使清洁环保、可再生的浅层地热能开发利用，迎来了广阔的发展前景。地埋管地源热泵系统，因其不受地下水资源条件的限制、运行安全稳定等优点发展迅速。而地埋管地下换热系统的设计是地埋管地源热泵系统设计的一个重点环节，设计目的是使地上、地下系统用能与资源条件相匹配，避免造成因地下设计不足使系统工作效率下降，甚至导致主机无法正常运行或设计偏大造成系统初期投资增加及土地资源的浪费。

如何通过现场热响应试验准确地获取岩土体换热能力，成为国内外研究的热点。国外尤其欧美一些国家，对地埋管地下换热器换热量测试设备的研究方面投入了大量的工作。早期的测试设备简单的采用电加热器模拟夏季工况向地下排热，从而测试地埋管换热器的换热量，这种方法比较简单。瑞典于1995 年研制了最早的地埋管換热器测试仪 TED，该测试仪由一个 85L的水箱、一台 1kW 的循环水泵和一台 3～12kW 逐级调节的电加热器组成。美国、加拿大、英国、德国、挪威、土耳其等国家，也相继开发了功能及原理与瑞典开发的类似的测试装置（毕文明等，2007）。后来许多国家研制了能够模拟冬、夏两个季节，即具有吸、排热工况的测试设备。据统计，目前全世界共有约 32 个国家开展了热响应测试的研究与应用工作，主要分布于欧洲、北美洲和亚洲，测试仪器的形式有拖车式、手提箱式、整体集装箱式、分体式等。大部分的热响应测试方法采用的是单一放热工况，主要是因为排热工况更容易实现。中国、德国、荷兰等国探索采用了放热与取热双工况的测试方法，约占统计分析数据的10%（沈亮等，2016;李鹏等，2019）。双工况测试一般用一台热泵取代了原来的电加热装置。随着研究的深入和实践的发展，国内地勘单位对地下换热系统换热能力方面的研究取得一些成果，测试设备研制不断完善，已相继研发出几代设备和计算软件。北京市地质矿产勘查开发局参与编写的地质矿产行业标准《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225—2009）中，给出了根据地埋管换热器传热系数计算单孔换热功率的方法，另外，结合多年的研究成果参与编写的北京市地方标准《地埋管地源热泵系统工程技术规范》（DB11/T 1253—2015）中提出了岩土热响应试验的内容和技术要求，包括岩土初始平均温度测试的方法，稳定热流、稳定工况测试的要求等，进一步指导并规范了行业发展。

1 测试原理及主要功能

现场热响应试验测试仪的水路循环部分与所要测试的地埋管换热器相连接，形成闭式环路，通过仪器内的循环水泵驱动环路内的水不断循环，测试仪能够提供一个能量稳定的且可调节的热（冷）源，提供的热（冷）量通过循环水，传导给地埋管换热器，最终释放到大地或从地下吸热。运行过程中，测试仪记录地埋管换热器的进出水温度、循环水流量以及加热功率等参数。

目前，国内测试设备按照运输形式大致分为便携式（如柜式）和车载式，按照测试功能大致分为稳定热流型和稳定工况型。这些设备大多采用电加热器，有些采用风冷热泵或者风冷热泵和电加热器联合作为循环系统冷热源，向地埋管换热器提供稳定的热量或者建立稳定的地埋管换热器运行工况，地下岩土体对热量的响应情况反映到地埋管换热器进、出水温度的变化，系统中的流量是已知的，从而计算获得地埋孔的热物性参数、换热能力等相关参数。

2 不同测试功能所得数据分析及应用

现场热响应测试可分为岩土初始平均温度测试，稳定热流、稳定工况热响应测试。测试结果是特定、复杂的地质条件下，包含着多种岩土体在温度梯度和水力梯度共同作用下的的热传导和热对流影响的综合参数。

2.1 岩土体初始地温测试

理论上定义岩土体初始平均温度为从自然地表下10～20m至地埋管换热器埋设深度范围内，岩土体常年恒定的平均温度。实际测试中则以测试孔中地埋管换热器长度内的平均温度表示岩土体初始平均温度，这也造成不同测试时间测试结果可能存在较小的误差。初始地温直观反映了当地的气候特征、地埋管地源热泵系统的适宜性及换热效果。

浅层地热能初始地温测试的方法，包括埋设传感器、无功循环法、水温平衡法。布置传感器法可根据传感器埋设位置的不同，分为勘查测试孔的地埋管外埋设或单独埋入常温监测孔中，较为常用的是在地埋管不同深度埋设温度传感器，通过实时监测温度传感器的监测数值，计算每个温度传感器测量值的算术平均值作为其所在地层的温度值，再计算所有地层温度值的算术平均值或按地层的加权平均值得到地层的初始温度。无功循环是指在不向地埋管加载冷、热量的情况下，使水在地埋管内循环，在循环水的温度达到稳定时，此时循环水与岩土达到热平衡，该温度即可代表岩土体初始平均温度。水温平衡法（参考技术规范DB11/T 1253—2015）是工作实践发展过程中总结的新方法，地埋管安装完成足够时间后，管内的水与岩土体的温度达到平衡，此时通过水泵循环将PE管内的水泵出，计算不同深度流到出口的时间，同时监测水温的变化，分析岩土体温度的方法。经过试验验证，3种方法测试结果非常接近，均可认为是准确的。

以北京市通州区某试验基地为例，分析初始地温不同测试时间、不同测试方法的情况下得到的结果。该试验基地地处凉水河北侧，第四系深度500～600m，属于永定河、潮白河冲洪积扇的中下部，含水层层多而薄。基地现有建筑面积约400m2，采用地埋管地源热泵系统供暖。在换热布孔区域外，布设有一眼150m深的常温观测孔，在孔内埋深1m、2m、3m、5m、7m、10m、25m、40m、60m、80m、100m、120m、130m、140m、150m的位置埋设有温度传感器。监测时间取2015年1月至2016年9月底。从不同深度的监测数据可见（图1），1m、2m、3m、5m处地温随季节变化而变化，7m处的地温全年基本不变，可以说7m以上为变温带。7m以下各点的地温基本保持不变。变温带1m处最高温度出现在2016年8月，最低温度出现在2016年3月。将最高地温日不同深度监测的地温值加权平均后，得到整个孔的初始地温为15.62℃。最低地温日的不同深度监测的地温值加权平均后得到整个孔的初始地温为15.25℃，此地区不同季节初始地温相差不大。主要是因为此地区变温层较薄，在5～7m之间，加权平均后对整个孔初始地温影响可以忽略不计。因此，在这种地温场分布的情况下，热响应测试的结果可忽略测试季节的影响。

在该基地我们还对120m深的标准孔，采用了无功循环法测试初始地温为14.6℃。同时计算了冬、夏两个时间的常温观测孔温度传感器监测的温度加权平均值，得到的平均地温值为15.08℃（表1）。布设温度传感器法和无功循环法测试结果非常接近，均可认为是准确的。

目前，初始地温测试比较常用的是无功循环法。北京平原区大部分地区初始地温约为14℃～16℃。但在断裂构造带附近温度较高，如小汤山地区可达21℃左右（北京市地质矿产勘查开发局，2018），立水桥东小口地区可达18℃左右，说明地下热源对浅层地温场的影响作用明显。而在琉璃河、后沙峪地区温度较低，约为12℃～13℃。分析认为主要原因是后沙峪地区热储埋藏较深，盖层厚不利于地下热量的向上传导。另外，地下水径流条件好的地区浅层地热能初始地温也较低。影响初始地温的因素较多，还包括地层结构等。不同地区应在场地勘查时分别测试初始地温，了解浅层地热能初始的资源条件。根据不同地区试验测试数据分析，冬季地埋管延米换热量随着初始地温增高而提高，说明初始地温较高的地区有利于取热（图2）。

同时，初始地温高则不利于夏季排热。以顺义区某处的测试数据为例（表2），项目区位于潮白河冲积扇中下部，通过测试可得出地层初始平均温度均随测试孔深度的增加而升高，夏季工况下的排热量随着初始温度增加而减少，每增加一度每延米排热量减少约10%。

2.2 稳定热流与稳定工况测试

由于原2005年发布的国家标准《地源热泵系统工程技术规范》（GB 0366—2005）缺少换热试验的条文，在实际应用中比较混乱，常以不考虑换热温差的每延米换热量作为设计依据，因此在2009年修编版中增加了岩土热响应试验的内容，要求采用稳定热流的测试方法，用传热模型反算推导出岩土體的导热系数。随着测试设备的不断研发完善，出现了采用稳定工况的测试。稳定工况测试是通过建立稳定的地埋管换热器夏季或冬季运行工况，即人为设定进水温度，当出水温度相对稳定后，直接计算换热能力的方法。这种方法不需要复杂的模型计算，直接通过传热学公式得到延米换热量，作为地下换热系统的设计依据。

如果变温层较薄，季节变化对初始地温影响可忽略的情况下，稳定工况较稳定热流法更能简单直接地给出地层的换热量。但是如果不同季节的初始地温相差较大，或测试孔深度较浅，变温带对整个孔的温度影响较大，即测试时的进出水温度与地层初始温度的差值与实际运行时是不同的，则稳定工况的测试时间将影响测试结果的准确性。建议此种情况下采用稳定热流法测试得到岩土体热物性参数来指导地下换热系统的设计。由此可见地层初始地温对地埋管地下换热系统的换热量影响较大，区域调查掌握一个地区的地温场分布特征是指导工程应用的重要基础，不可忽视。

3 传热系数在浅层地热能勘查评价中的应用

浅层地热能资源分布状态、可利用资源量（即换热功率）、运移规律等均受地质条件及岩土体固体颗粒部分的导热性能的制约。早期行业内是以现场热响应测试得到延米换热量作为设计地埋管总长度的依据，但随着实践的发展，发现不同加热功率所得到的延米换热量不同。在理论分析及实测结果的基础上，国土资源部行业标准《浅层地热能勘查评价规范》中提出了传热系数的概念。地埋管换热器的传热系数是指单位长度地埋孔，单位温差（即地埋管内流体的平均温度与地层初始温度的差）的换热功率，通过稳定热流法或稳定工况法可得到的参数。

通过综合比较不同测试孔的传热系数，地埋管换热孔每延米换热量是管内循环介质平均温度与地层初始温度间温差的函数，它随着管内外温差的加大而增加，不是固定值。以顺义区某测试项目为例，该测试采用了稳定工况的方式，设备供水温度约35℃，回水温度约33℃，不同深度测试孔地层初始温度不同，设备供、回水温度平均值与地层初始温度之差不同，计算所得的传热系数不同，如图3所示。

传热系数理论上换热孔每延米热阻的倒数，在加热时间较长时其基本不变，如果同一个孔加热功率不同，所测得的传热系数基本相同。传热系数可作为地埋管地下换热系统设计的静态依据，可用它来描述换热孔的换热能力（杨俊伟等，2011）。目前行业内普遍采用传热系数的方法计算设计工况下的换热量，从而计算地埋管总长度。

4 结论与建议

地层初始地温是浅层地热能资源条件的重要指标，决定着浅层地热能开发利用合理性和经济性，不同测试方法得到的数据均可用。传热系数是基于公式推导和大量测试数据验证，得到的一个综合反映地下换热能力、管材、回填材料、运行工况等因素的综合参数，可用于推导不同换热温差下单孔的换热功率，为计算地下换热系统总长度提供静态的依据，对评价勘查成果、指导工程实践具有重要的指导意义。

建议在实际工程应用中地埋管地下换热系统的设计，应充分收集区域内的地温场分布特征，在现场热响应测试的基础上，科学设计地下换热系统的埋管长度。同时综合分析供能需求、场地可布孔面积、钻孔成本与换热量的最佳平衡点等因素，使浅层地热能达到最高效合理的利用。

参考文献

毕文明， 楼洪波， 2007. 地埋管地源热泵系统地下换热器热（冷）响应测试车研制[C]//中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会. 地温资源与地源热泵技术应用论文集. 第1集. 北京： 中国大地出版社：100-106.

北京市地质矿产勘查开发局， 2015. 浅层地温能开发利用关键技术研究报告[R].

北京市地质矿产勘查开发局， 2018. 北京市浅层地温能资源可持续利用研究及示范工程建设项目研究报告[R].

李鹏， 郑雨， 李杭哲， 等， 2019. 对岩土热响应试验的回顾与展望[J]. 暖通空调， 49（5）： 27-32.

沈亮， 钱程， 徐伟， 等， 2016. 国内外岩土热物性测试技术对比研究[J]. 建筑科學， 32（6）： 178-181.

杨俊伟，冉伟彦， 佟红兵，2011. 地埋管换热系数及其在工程设计中的应用研究[J]. 城市地质， 6（2）： 45-47.