摘要：结合唐山地区某中学的地埋管地源热泵工程设计，介绍了地源热泵打井深度和土壤换热量的测试方法，并基于测试结果进行工程设计。提出了寒冷天气使用防冻液增加制热量，改善地源热泵系统效果的方法。
关键词：地埋管地源热泵 地埋管换热器 防冻液
0引言
地埋管换热系统的设计是土壤源热泵系统设计的重点，设计出现偏差可能导致土壤源热泵系统运行效率降低甚至无法正常运行。通过测试并利用专业软件分析，获得本地基本地质资料（可钻性）、地埋管换热孔与周围岩土间的换热规律、每延米地埋管换热器的换热量、岩土的导热系数等，为换热孔的钻凿施工工艺、设计地埋管换热系统以及整个热泵系统提供依据[1-2]。
1工程概况
选择唐山地区某中学新校区土壤源热泵系统进行设计分析，建筑面积为108000平米，选用室外土壤换热系统作为系统冷热源，夏季设计供回水温度7/12℃，冬季设计供回水温度55/50℃。确定地层岩性为：1m以浅为杂填土，1m~43m为粉细砂，43~107m为砂砾石，地下水静水位为15m。
2地埋管换热设计测试
测试设备采用北京市地矿总公司与北京华清荣昊新能源开发有限责任公司开发的浅层地热能冷、热响应试验台，可完成岩土体热物性测试；冬、夏季地埋管换热器放热和吸热能力测试；换热影响半径测试；岩土体平均初始温度测试以及岩土体温度的恢复测试等测试工作。首先钻凿测试孔，孔深为47m（下管45m），孔径为240mm。钻凿完成后下入双U型HDPE管并回填，回填采用中、粗砂。测试孔安装完成后最少2天后进行岩土换热能力测试，防止由于换热孔钻凿造成的地层温度波动对测试结论产生影响。本次测试进行地层初温和稳定工况（夏季）测试。
试验台首先进行岩土体平均始温度测定，测试采用的方法为地埋管水温平衡法。测试孔安装完成后在PE管内充满水，足够时间后，PE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，同时监测水温的变化，从而分析岩土体的温度。图1为测试孔地埋管换热器出水温度随时间的变化曲线。从该曲线可以看出，地埋管换热器的出水温度稳定的时间段是16:02:53至16:04:06，PE管内的水温变化范围为13.3～13.5℃，因此，45m内岩土体的平均温度为13.4℃。
.png)
图1 地层初始温度测试曲线图
稳定工况测试是通过模拟地埋管换热器的实际运行工况，测定地埋管换热器在该运行工况下的实际换热能力的测试方法。本次测试模拟夏季运行工况，地埋管换热器进水温度设定为35℃，流量设定为1.4m3/h，数据记录周期为300s。图3为测试曲线，可以得出，在测试设备运行至21:58:32时，试验台的进、出水温度均趋于稳定，故从21:58:32后的测试数据为有效数据。在此时间段内，地埋管换热器的进水温度均值35.00℃，出水温度均值32.67℃，进、出水温差2.33℃，进水温度与设定值偏差0.00℃，在有效时间内，进水温度与设定值以及出水温度与均值偏离均小于0.3℃，测试数据有效。
3测试数据分析
根据Q=C×m×△T，流量m、温差△T与热量Q成正比例关系，使得热量Q曲线与流量m、温差△T曲线的稳定趋势基本一致。在21:58:32以后时间段内，流量的均值1.4m3/h，换热测试孔换热量均值3.8kW，孔深45米，因此每延米地埋管换热器换热量ql为84.44W/m。
根据单位长度地埋管换热器平均传热系数计算公式：
.png)
式中：
——单位长度地埋管换热器平均传热系数，W/（m·K）；
——特定工况下单位延米地埋管换热器的换热量，84.44W/m；
——地埋管换热器进出水平均温度，（35+32.67）/2=33.835℃；
——岩土的初始温度，13.4℃；
经计算，单位长度地埋管换热器平均传热系数为4.13W/m·K。
IGSHPA线源模型是目前普遍采用的地埋管换热器计算模型，其表达式为：
.png)
式中：
——随时间变化的地埋管换热器进出水平均温度，℃；
——单位延米地埋管换热孔换热量，W/m；
——岩土体导热系数，W/m·K；
——岩土体导温系数，m2/s；
——钻孔半径，m；
——常数，0.5772；
——钻孔内热阻，m·K / W；
——地层初始温度，℃。
根据上式可推导利用恒热流模拟试验数据计算岩土体导热系数的公式和方法，
.png)
根据曲线拟合结果，系数k为1.5087，将k带入计算岩土体导热系数为2.63W/m·K。
采用GSHP Engineering Tools（基于热阻模型）进行地埋管换热器计算，方法如下[4]：
不同工况下岩土体的换热能力为：
.png)
式中：
Rf——地埋管内载冷剂与地埋管的对流换热热阻，m·K/W；
Rpe——U型管的管壁热阻，m·K/W；
Rb——回填材料的热阻，m·K/W；
Rs——地层热阻，m·K/W；
Rsp——短期连续脉冲负荷引起的附加热阻，m·K/W；
——地埋管换热器进出水平均温度，℃；
——岩土体初始温度，℃；
4冬季防冻液应用
唐山地区某中学地源热泵项目，在实际运行中发现密集布管方式造成了地源井换热能力达不到测算报告的数值，各井之间水流量分配不均造成学校在最冷天供热不足。项目采用意大利克莱门特地源热泵机组，该机组在保护程序上有这样一个机制，当机组监测到地源侧水温到达4℃的时候，就会采取保护模式，机组不在100%全力制热，通过降低制热量的方式达到保护机组避免冻结的风险，因此设置了4℃的冗余温度。
在无法增加地源井和调整地源井水量分配的情况下，向地源井循环水中注入防冻液，可以降低循环水的冰点。加入40吨-35℃冰点的乙二醇防冻液，把整个地源井循环水的冰点从0℃降低到-1.5℃，然后调节制冷技术的地源侧水温探头，使之增加1.5℃的修正偏差，这种情况下，系统依然能保证4℃的安全冗余。而机组在监测到地源系统水温到4℃以上（实际温度应该是2.5℃）的时候依然能100%出力制热，即地源侧水温多利用了1.5℃的换热温差，从而在极寒的天气情况下保证多出热量，满足学校的供暖需求。
5结论
在对地源热泵进行实际工程设计时，首先对地质条件进行测试，选择适合的打井深度及位置，计算土壤传热系数等相关参数，进行进一步的设计。在冬季实际运行时，由于打井前的测试报告计算的井数出现不准确的现象，可能导致很多地源热泵供暖项目在极寒情况下出力不够，在循环水中添加防冻液同时调整探头测试温度偏差，可以在保证机组安全冗余的情况下适当增加制热量可以解决一部分工程中的实际问题。
参考文献
[1]方肇洪, 刁乃仁, 崔萍. 地埋管地源热泵系统技术集成[J]. 建设科技, 2012(13):58-59+63.
[2]马俊,柯立,朱志明,刘红卫,江凯.地源热泵岩土体传热规律分析[J/OL].资源环境与工程:1-7[2019-12-30].http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20190925.1013.010.html.