实验研究方法是一种能够客观、准确地反映所研究物理现象的重要研究手段。为了深入、准确地研究地源热泵系统地下竖埋管换热器的传热规律和换热器周围岩土温度场的变化规律，并与理论印证，必须进行实验研究。通过设立于长江流域的上海市的地下竖埋管换热器试验系统的摸索性实验，对比一下单U地下埋管换热器和套管式地下埋管换热器的换热性能。
另打一口单U井，管径DN32，井深50米，用于跟套管形式进行换热对比，以验证套管的换热效果。
2 单孔测试目的及步骤
2.1 测试目的
土壤型（地源）热泵系统的设计，主要就是土壤型热交换器的设计；而土壤型热交换器的设计，最主要就是确定地层土壤的平均导热系数！地层土壤的导热系数，包含了土壤（岩石）、回填料以及塑料管壁等导热的综合情况。其中若选取的岩土热物性参数不准确，设计的系统负荷要么达不到要求，要么规模过大，加大投资。
地源热泵设计的核心是获取准确的土壤的取、放热导热特性参数。目前土壤的导热特性主要有三种获得方式：利用简化模型数值计算、利用经验估算、做土壤热特性测试。单纯的按照简化模型计算往往误差过大；经验的估计值在方案分析阶段有一定的参考价值，但一直以来设计人员只能在某种土壤或岩石导热系数范围内，保守取用较低值，导致设计钻孔的数量比实际需要的多，从而增加了项目投资成本；只有在地源热泵规划施工场所现场进行土壤热特性测试才能够获得完整和准确的土壤数据。
因此，为保证一个地源热泵系统准确的设计，土壤热特性测试是必不可少的前提步骤。该地源热泵单孔换热量测试仪，用来测试垂直钻孔条件下的地层土壤换热情况，分析得出导热系数及相关参数。进行试验井单孔换热测试，求证地层土壤导热系数，目的就是降低这种综合的不确定性，为地下土壤型换热器设计提供更经济的方案。试验孔井一般推荐3000m2左右建筑物设置一个。在我公司频繁的工程实践应用中，测试分析结果与空调系统运行效果的一致性，验证了该套地层土壤测试设备使用的可行性和现实意义！
该测试设备测试数据的可靠性，主要与以下两个因素有关：
? 测试需要不间断的运行几个昼夜或一段时间，时间的长短受到不同地质状况和热环境的影响来决定。
本报告书涵盖两部分内容，一是该工程地埋管温度场测试及结果分析；二是根据温度场测试结果，对地埋管进行换热计算。
2.2 测试要点
根据我们的实际工程经验，换热孔孔径设计为80～130mm（根据具体地质结构和埋管深度决定）。该项目打井两口，一口采用套管形式，外管管径DN50，内管DN25，进出水在内管以及内外管之间的环状空间进行，打孔深度45m。 一口采用单U形式，管径DN32，打孔深度50m。
具体测试要点：
1、 按设计要求钻孔，并记录土壤类型、不同类型土壤的厚度以及不同土壤每米钻孔所需时间。
2、 按要求把换热管放入钻好的孔中。
3、 在放好换热管的孔中回填填料，并将换热管中充满水。
4、 保证换热管内充满水，封闭管口，让其稳定。
5、 测试前让换热管中水循环流动60分钟以上。
6、 某时刻起对换热管环路中的水进行连续加热，并记录加热功率、回路中水的流量、水温及其对应的时间。
7、 我司配备一整套软件将采集、记录、处理测试数据，并动态显示水温变化、电压、电流等参数，并自动绘制其参数变化曲线。
测试装备包括以下构件：
1. 试压、保压后的成井；
2. 岩土热物性测试仪及其配套软件，由IGSHPA （国际地源热泵协会）推荐，美国原装进口；
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2.4 测试实验原理
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数据输出通过专用程序软件来实现，将采集到的数据以特殊的格式存储在控制柜中的电脑里，也可转移到其他计算机中；根据所收集数据通过专业数据分析软件进行数据分析。
该地源热泵项目竖埋管换热情况测试，现场对两组地埋管分别进行实时测试。
3.1 测试环境
空调设计室外计算参数
1. 室外空气设计参数
室外干球温度：冬季t＝-4℃；夏季t＝34℃
冬季室外计算相对湿度：67％
2． 室内设计参数
夏季：26±2℃，相对湿度：60%
冬季：20±2℃，相对湿度：30%
3.2 地源热泵系统优势背景
科学研究发现，土壤温度的变动随深度增加而减少，到地下15m以下时，这种影响可忽略。太阳能储藏在土壤中的这部分可再生能源为空调系统提供了节能环保的天然冷、热源。
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1）、布置地下换热器：
下管：将地下换热器下入已打好的成孔中，保证下管深度。
回填：将回填料通过搅拌机搅拌后返浆回填，保证回填料均匀密实。
2）、进行实验测试：
第一步、保证在整个试验过程中都必须有足够的电来供应，将实验平台与控制柜通电；
第四步、通过注水管向试验系统中注水，保证系统运行的注水压力。
第五步、在将试验系统中的空气排尽后启动循环泵，当流速稳定趋于恒定后，开启电加热器，正式开始测试实验，进行数据采集。在数据采集过程中，必须保证电源的稳定，使数据能够连续不间断采集。采集数据包括：孔径、孔深、大地初始温度、连续测试时间的地下温度等。
第六步、数据采集时间： 套管管井从09-03-10 下午05时至09-03-11 下午05时共计24个小时，单U管径从09-03-11 下午05时至09-03-12 下午05时共计24个小时，其间分别连续对试验孔进行现场数据采集，在测试过程中每隔1.5分钟进行一次数据采集。 开启电加热前后分别记录地下环路中水与土壤换热的数据情况。
3.4 地下换热器内水温度随加热时间的变化数据表格
a）按测试要求连接测试设备与地下竖埋管环路，启动循环水泵初始运行一段时间，记录原始未经扰动的土壤温度，待进出水温差趋于稳定为止。
b) 观察测试曲线图，对比开启电加热器前后温度的整体变化以及温差趋势，作初步判断分析；
【曲线最后慢慢趋于稳定，可作为分析计算依据】。
4.1 对试验孔数据分析
Project（项目名称）：套管形式地埋换热器测试
Date（测试日期）：2009-03-10～2009-03-12
Test Conducted By（测试设备）：岩土热物性测试仪及其配套软件
Bore Depth（竖埋管深度）(米)：套管形式45米，单U形式50米
U-bend pipe size （U型弯尺寸）：套管形式：外管DN 50、内管DN25；单U 形式：DN32
Borehole dia. (钻井尺寸)：DN 100mm
Grout （灌浆填料）：无
Circulating Fluid（循环流体）：Water（水）
Circle pump（循环泵）：Grundfos 26-99F
4.2 土壤原始温度
在测试初始阶段，首先对地下土壤的原始温度进行测试，为以后进行地下换热器的设计提供参数。开启水泵循环直到测试流体的进出水温度趋于恒定，这时可以认为该温度值即为地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均温度。数据分析入下表所示：
实验得出地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均温度为18.19℃。
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同时，由上述表格图可以看出，开始加热流体时，地下温度开始变化较快；随着加热时间的增加，地下温度变化趋于平稳，这时，流体与岩土层的换热近似达到平衡。整个温度曲线无明显波动、变化。整个试验过程测试到的数据可以用软件进行数据分析。
4.3 土壤平均导热系数计算
地埋管土壤换热测试实验的理论基础是开尔文的线源理论，以下公式描述了线源理论，我公司的实验软件就是以此理论为基础。
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H――管子长度 β――积分常量
t――实验开始时间 q――热量
ΔΤ――温差 rb――钻孔半径
cv――定容比热
从对应的数据可以看出，地下45米的土壤温度稳定在18.19℃左右；开启电加热后，供回水温差变大。再关闭电加热，供水温度恢复到初始状态。最后在开启电加热，供回水温度再次上升。根据水温和时间的变化进行地埋管土壤导热计算。整个测试过程示意图如下：
A. 套管形式温度曲线
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B. 单U形式温度曲线
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系列1——进地埋管温度，℃
系列2——出地埋管温度，℃
系列3——竖直地埋管内平均温度，℃
Calculated Formation Thermal Conductivity：——岩土综合导热系数计算
岩土综合导热系数公式
FTC =
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式中 Q --- HEAT INPUT(w) / VHE DEPTH(m)——加热功率 /钻孔深度
m --- SLOPE OF THE LINE FOR GRAPH TEMP VS. NATURAL Ln OF TIME——温度－时间对数斜率
计算结果录入表格
A. 套管形式
|
加热量（W） |
深度 （m） |
Q （W/m） |
温度－时间对数斜率，M |
综合导热系数，FTC |
|
4632 |
45 |
102.9 |
3.82 |
2.143 |
- 单U形式
|
加热量（W） |
深度 （m） |
Q （W/m） |
温度－时间对数斜率，M |
综合导热系数，FTC |
|
4632 |
50 |
92.64 |
3.3 |
2.234 |
B. 单U形式
|
加热量（W） |
深度 （m） |
Q （W/m） |
温度－时间对数斜率，M |
综合导热系数，FTC |
|
4632 |
50 |
92.64 |
3.3 |
2.234 |
由此可见，两种埋管形式计算出的大地综合导热系数误差在5%左右，意味着有近乎同样的换热效果，可见套管形式的地埋换热器基本可行。
4.4 竖直地埋管换热器的热阻计算
1、U形管的管壁热阻可按公式计算：
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式中 .gif)
---地埋管的管壁热阻（m•K/W）
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---地埋管导热系数[W/（m•K）]
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---地埋管的外径（m）
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---地埋管的当量直径（m）
2、土壤/场地热阻
土壤/场地热阻的计算是个非常复杂的过程，根据IGSHPA推荐的公式及数据，以线源理论为基础，计算得出结果
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---------------------（1）
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----------------------（2）
4.5 单孔换热量计算
1、测试数据在软件模拟分析的过程中，需要根据当地气候条件输入相关计算参数。软件界面中有对应的制冷模式、制热模式设计热泵进水温度值：制冷模式、制热模式进水温度分别按机组运行名义工况设定为29.4℃、10.0℃。在冬夏实际工况下作修正即可。
2、土壤平均导热系数FTC及热阻：
平均导热系数：套管形式2.143，单U形式2.234
土壤平均热阻：0.51 m•K/W
换热孔的换热量是与换热管内的流体特性、换热管的材料特性、周围土壤的土质、土壤的赋水情况及如果含水水是否流动、回填料的特性及土壤的原始温度和换热管内流体的温度等诸多因数有关，这些因素都直接影响着整个土壤换热器的换热能力，由于地下的土壤结构及分布比较复杂，只有通过测试试验孔井绝对能力――综合传热系数来衡量整个换热孔的换热性能！通过软件分析数据，计算结果。
根据工程资料以及已知参数，通过详细计算、分析结果如下：
对于夏季工况：
竖直地埋管换热器钻孔长度计算负荷公式：
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式中：
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――夏季工况冷负荷；
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――U形管的管壁热阻；
Rs――土壤/场地热阻；
――制冷运行比例；
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――设计最高进水温度；
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――全年土壤最高温度；
单位井深换热量KC，W/m；
对于PE管连接，按平均每m井深换热量计算单孔换热量QC，W，由KC推导得出；
对于冬季工况：
竖直地埋管换热器钻孔长度计算负荷公式：
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――冬季工况热负荷；
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――U形管的管壁热阻；
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――土壤/场地热阻；
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――制热运行比例；
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――设计最低进水温度；
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――全年土壤最低温度；
单位井深换热量KC，W/m；
对于PE管连接，按平均每m井深换热量计算单孔换热量QC，W，由KC推导得出；
4.6 测试结论
A.套管形式地埋换热器
1）、综合导热系数分析：根据实验现场采集的数据，分析得出45m的套管形式地下换热器，其土壤的平均导热系数为2.143 W/m•℃，意味着有较强的地下换热能力，适合做地源热泵系统。
2）、综合分析、测试参数汇总：
|
埋管深度 （m） |
土壤原始温度（℃） |
单孔流量（m3/h） |
土壤导热系数（W/m·℃） |
地埋管的管壁热阻(m·K/W) |
土壤平均热阻 (m·K/W) |
|
45 |
18.19 |
1.21 |
2.143 |
0.028 |
0.51 |
|
制冷模式 |
埋管深度（m） |
夏季换热指标（W/m井深） |
夏季单孔散热量（W） |
|
45 |
75 |
3,375 |
|
|
制热模式 |
埋管深度（m） |
冬季换热指标（W/m井深） |
冬季单孔取热量（W） |
|
45 |
48 |
2,160 |
B.单U形式地埋换热器
1）、综合导热系数分析：根据实验现场采集的数据，分析得出50m的单 U形式地下换热器，其土壤的平均导热系数为2.243 W/m•℃，意味着有较强的地下换热能力，适合做地源热泵系统。
2）、综合分析、测试参数汇总：
|
埋管深度 （m） |
土壤原始温度（℃） |
单孔流量（m3/h） |
土壤导热系数（W/m·℃） |
地埋管的管壁热阻(m·K/W) |
土壤平均热阻 (m·K/W) |
|
50 |
18.19 |
1.21 |
2.243 |
0.028 |
0.51 |
由测试参数得到如下室外设计数据表格：
|
制冷模式 |
埋管深度（m） |
夏季换热指标（W/m井深） |
夏季单孔散热量（W） |
|
50 |
56 |
2,800 |
|
|
制热模式 |
埋管深度（m） |
冬季换热指标（W/m井深） |
冬季单孔取热量（W） |
|
50 |
40 |
2,000 |
三 结论
本文综合分析了有关地源热泵系统的地下埋管换热器的理论与实验工作，指出竖埋管换热器形式的地源热泵系统尤其适用于夏热冬冷地区的全年冷热联供，通过实验对比两种换热器的性能，得出了如下结论：
1. 在换热结构的设计方面，应优先采取流体外管进、内管出的外进内出过流方式，最佳过流量与换热管长度有关，管长越长最佳过流量越大。
2. 在上海的地下换热器性能实验，证明了地源热泵系统的良好节能效果和地下埋管换热器的实用性：
通过上海的恒定条件实验分析，证明套管式埋管换热器性能优于U型管式埋管换热器，且两种换热器均有良好的传热性能；通过实验结果来看，在冬季，套管式换热器比U型管式埋管换热器单位孔深换热性能要高20%，夏季则高30%。
参考文献
【2】 蒋能照 空调用热泵技术及应用 北京：机械工业出版社
【3】 王勇 地源热泵研究（1） 重庆建筑大学硕士论文
【4】 高祖锟 用于供暖的土壤-水热泵系统•暖通空调
【5】 建设部 地源热泵系统工程技术规范
【6】 刘宪英等 地源热泵地下垂直换热器的试验研究 重庆建筑大学学报
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