孟慶龍，官燕玲，谷雅秀，趙 凡，韓文生

(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

建筑節(jié)能無疑已成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的一個(gè)重要組成部分．地源作為建筑空調(diào)的冷熱源提供者之一，為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能提供了新的途徑．淺層地表土壤熱物性對(duì)地源熱泵系統(tǒng)性能影響最大，直接影響地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性，是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究過程中最基本、最重要的參數(shù)．巖土熱響應(yīng)測(cè)試是測(cè)試巖土熱物性的有效途徑，已成為當(dāng)前地源熱泵埋管換熱器數(shù)量和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)．利用現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備，既可以為地源熱泵系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)，還可以建立地?zé)崂玫臄?shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)行淺層地?zé)豳Y源調(diào)查提供數(shù)據(jù)依據(jù)．

熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)際是人為加給土壤的激勵(lì)（或稱謂階躍響應(yīng)[1]），以此激發(fā)土壤熱效應(yīng)，了解土壤熱特性，如熱導(dǎo)率、熱阻等．考慮制冷設(shè)備的復(fù)雜性及難度原因，目前熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)多為模擬夏季工況，對(duì)冬季工況模擬較少．因此重點(diǎn)分析淺層垂直環(huán)路土壤源熱泵系統(tǒng)的釋熱熱響應(yīng)測(cè)試發(fā)展?fàn)顩r．

美國(guó)學(xué)者Sanner B對(duì)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展進(jìn)行了綜述，并給出多種熱響應(yīng)測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物圖，可參考有關(guān)文獻(xiàn)[2-3]．Raymond從水力學(xué)中抽水試驗(yàn)角度對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試進(jìn)行了綜述[4]，指出目前熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的問題，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了敏感性和不確定性分析．李敏對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的熱響應(yīng)測(cè)試的發(fā)展作了綜述[5]．彭清元等給出了基于線熱源理論的巖土熱響應(yīng)測(cè)試研究現(xiàn)狀[6]；Gao, Q[7]論述了地我國(guó)源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀以及與和其他國(guó)家的差距，指出存在的問題和未來發(fā)展方向，研究了土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法．Javed, S對(duì)鉆孔進(jìn)行建模和熱特性評(píng)價(jià)[8-9]．

瑞典Lulea University of Technology大學(xué)的Bo Nordell教授和Gehin博士[10-11]是較早開展地埋管熱響應(yīng)研究的團(tuán)隊(duì)；以美國(guó)俄克拉何馬州立大學(xué)大學(xué)的建筑與環(huán)境熱系統(tǒng)研究中心為代表的研究小組[12-14]對(duì)土壤源熱泵熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，J.D. Spitler教授和Richard A. Beier博士為該課題組負(fù)責(zé)人；德國(guó)UBeG公司研制開發(fā)了多種熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備，已在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用．目前國(guó)內(nèi)也相繼開展熱響應(yīng)測(cè)試工作，主要有代表的學(xué)者：山東建筑大學(xué)的方肇洪等[15-16]、長(zhǎng)安大學(xué)官燕玲[17]、河北工業(yè)大學(xué)的王華軍教[18-19]、華中科技大學(xué)的胡平放[20]以及吉林大學(xué)的王慶華[21]等．與熱響應(yīng)測(cè)試相關(guān)的代表性的專利也相繼公開和授權(quán)[22-23]．

1 熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理及發(fā)展

地埋管地源熱泵的理論原理創(chuàng)建于20世紀(jì)80年代[24-25]，但直到在20世紀(jì)90年代中期才用于實(shí)際工程．幾乎是同時(shí)，瑞典人 Gehlin[10]和美國(guó)人Austin[26]分別研制了此類熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)并投入到實(shí)際工程應(yīng)用中．目前熱響應(yīng)測(cè)試儀多以釋熱設(shè)備（即以研究夏季工況）居多，而較少有吸熱（即以研究冬季工況）裝置．一般釋熱平臺(tái)的包括加熱器、循環(huán)水泵、流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、補(bǔ)水裝置、管道及接頭等，如圖1所示．

圖1 熱響應(yīng)測(cè)試儀測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal response test equipment

巖土的熱物性參數(shù)測(cè)試是通過向鉆孔釋加恒定的熱流，根據(jù)埋管進(jìn)、出口流體的溫度響應(yīng)來反算巖土的熱物性參數(shù)．通過熱響應(yīng)測(cè)試，可得到如下幾個(gè)參數(shù)：沿埋管方向的土壤熱導(dǎo)率、鉆孔（內(nèi)填材料）熱阻以及地下土壤原始溫度．一般步驟如下：對(duì)在施工現(xiàn)場(chǎng)打的測(cè)試孔進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試孔的深度和回填情況應(yīng)與實(shí)際地埋管鉆井深一致．測(cè)試時(shí)，地下埋管換熱器和熱響應(yīng)測(cè)試裝置的循環(huán)管道相連形成封閉環(huán)路，利用熱響應(yīng)測(cè)試裝置中的加熱器或制冷裝置向循環(huán)管道中的循環(huán)水輸入恒定的熱量或冷量，當(dāng)循環(huán)水流經(jīng)地下埋管換熱器時(shí)與地下的巖土進(jìn)行冷熱交換，然后利用溫度傳感變送器測(cè)得埋管換熱器入口和出口處的循環(huán)水溫度，并用流量計(jì)測(cè)得循環(huán)水的流量等數(shù)據(jù)，最后利用傳熱模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到巖土的熱物性參數(shù)．

1995年，Lule? Technical大學(xué)利用便攜式的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)10m到100m的深的地埋地源熱泵進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)量研究[10]，1996年美國(guó) Oklahoma State大學(xué)研制類似設(shè)備進(jìn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)[12,26]．在德國(guó)的法蘭克福南的Langen市，由UBeG系統(tǒng)公司1999年首次進(jìn)行了熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，同期，該公司在意大利、比利時(shí)和法國(guó)等歐洲國(guó)家進(jìn)行了熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)．出口其熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備到歐洲，韓國(guó)，中國(guó)等[2-3]，并在這些國(guó)家進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試研究．同時(shí)，類似的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置在瑞典[8-9]、瑞士、挪威、英國(guó)、智力[27]、沙特阿拉伯[28]、土耳其[29]、加拿大[30]、保加利亞[31]、羅馬尼亞[32]、荷蘭[33]、阿爾及利亞[34]相繼出現(xiàn)．河北工業(yè)大學(xué)的王華軍[18]和天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)[35]均開發(fā)研制了熱響應(yīng)測(cè)試儀．施恂根[36]，蘇華[37]等人自行開發(fā)了能進(jìn)行吸熱和放熱實(shí)驗(yàn)的熱響應(yīng)平臺(tái)，并在綿陽煙廠成功應(yīng)用．東南大學(xué)的喬衛(wèi)來[38]開發(fā)了一套測(cè)試平臺(tái)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：相同埋管形式與管徑地埋管換熱器，傳熱熱阻相同．長(zhǎng)安大學(xué)官燕玲教授負(fù)責(zé)研發(fā)了一種新型便攜式熱響應(yīng)儀，解決了現(xiàn)場(chǎng)電壓波動(dòng)帶來的功率和流量變化的問題，以及斷電造成數(shù)據(jù)不連續(xù)的問題，并開發(fā)了上位監(jiān)控軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算熱傳遞系數(shù)和熱阻的軟件．該設(shè)備已經(jīng)成功進(jìn)行了多處熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果均達(dá)到了滿意的效果．

目前關(guān)于熱響應(yīng)測(cè)試儀的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)有：我國(guó)“地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范”[39]以及ASHRAE[40-41]標(biāo)準(zhǔn)．

現(xiàn)今熱響應(yīng)測(cè)試方法主要穩(wěn)定熱流法和非穩(wěn)定熱流法（又稱“可逆熱泵法”）．前者在進(jìn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)流量和進(jìn)出口溫度，但保持注入換熱器的熱流量不變；后者保持進(jìn)水溫度和流量不變，監(jiān)測(cè)出口溫度變化，其換熱量是不斷變化的．向鉆孔釋加恒定的熱流有兩種：注入熱流（釋熱）和吸收熱流（吸熱）．前者較后者更容易實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際測(cè)試及研究報(bào)道也較多．Gustafsson[42]曾指出吸收測(cè)試法更能夠激發(fā)地埋管與介質(zhì)間的對(duì)流換熱，為此進(jìn)行了吸熱熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以研究鉆孔熱阻特性．

2 地埋管與土壤的熱交換數(shù)學(xué)模型

2.1 解析模型

工程應(yīng)用中地埋管換熱器與土壤的傳熱過程多以解析模型為依據(jù)，主要模型有無限長(zhǎng)模型（如線熱源、圓柱熱源）和有限長(zhǎng)模型（如線熱源）．關(guān)于模型研究應(yīng)該是最具爭(zhēng)議的．目前最常用的分析解方法有無限線性源法和無限的圓柱源法．這兩種方法都提供了以無量綱時(shí)間為自變量的徑向的溫度分布的函數(shù)[43]．而且，不同熱源模型，對(duì)分析結(jié)果有不同影響[44-45]．

2.1.1 線熱源模型

線源理論因其物理意義明確、計(jì)算簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用．在熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中這是一種最常用的模型，該模型假設(shè)熱傳導(dǎo)具有各向同性，假定土壤為溫度均勻分布的無限大均勻介質(zhì)，從零時(shí)刻啟動(dòng)無線長(zhǎng)線熱源（熱匯）．其傳熱控制方程[46]、初始條件和邊界條件分別為：

解得地下溫度場(chǎng)的分布為[47]：

實(shí)際上，式（5）只有在線熱源情況下才嚴(yán)格成立，但對(duì)于大多數(shù)熱泵系統(tǒng)用的小管徑埋管來說，經(jīng)過一定時(shí)間后，誤差可以忽略．對(duì)于大管徑或只運(yùn)行幾天的系統(tǒng)來說，將產(chǎn)生誤差．實(shí)際應(yīng)用中用無量綱準(zhǔn)則 a t/ r2＞ 2 0作為小誤差的準(zhǔn)則．

將埋有管子并與巖土進(jìn)行著熱交換的埋管鉆孔，近似地看作是置于半無限大介質(zhì)中的有限長(zhǎng)的線熱源而進(jìn)行傳熱分析．通過格林函數(shù)以及線性疊加原理進(jìn)行分析，進(jìn)而得到其理論分析解的表達(dá)式．

在線源模型的基礎(chǔ)上，Beier[48]給出了稱為“混合模型”構(gòu)架．Lamarche[49]利用階躍響應(yīng)的思路給出一種新的有限長(zhǎng)線源模型分析解．更進(jìn)一步，可利用控制理論中的系統(tǒng)階躍響應(yīng)對(duì)地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱響應(yīng)分析．Beier RA[50]提出一種分析模型．該模型可以降低由于使用進(jìn)出口的平均溫度近似流體溫度而造成的誤差．Bandos, T.V[51]對(duì)地下豎向溫度變化對(duì)線源模型的精度影響進(jìn)行了研究．曾和義[52-53]對(duì)熱響應(yīng)線源模型的應(yīng)用進(jìn)行了研究，這是我國(guó)在熱響應(yīng)測(cè)試方面較早的報(bào)道．

2.1.2 圓柱源模型

Kavanaugh[54]用圓柱熱源模型求解了地埋管換熱系統(tǒng)地下溫度分布和傳熱問題．此方法所得到的解析解含有貝塞爾函數(shù)的無窮積分而使估值十分困難，實(shí)際應(yīng)用建議如下的近似數(shù)值計(jì)算公式：

式中：

在線熱源模型和圓柱源模型的基礎(chǔ)上，已有很多學(xué)者對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試中的解析模型做了進(jìn)一步的研究．Oklahoma State University大學(xué)的 Cenk Yavuzturk[44]對(duì)豎直地埋管換熱器的模型進(jìn)行了研究，Chiasson[45]給出地埋管換熱器建模的研究進(jìn)展．文獻(xiàn)[49]中Lamarche給出線源和柱源模型的對(duì)比．為驗(yàn)證豎直鉆孔的熱特性模型以及熱響應(yīng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，Beier[55]利用實(shí)驗(yàn)的方法得到兩組參考數(shù)據(jù)集，并用七個(gè)鉆孔模型與一組熱響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證兩組數(shù)據(jù)集．Gehlin[56]對(duì)四種地埋管熱響應(yīng)模型進(jìn)行了對(duì)比．Lamarche[57]針對(duì)圓柱模型提出一種快速解方法．Shonder[58]提出一種基于一維數(shù)值傳熱模型的算法，利用參數(shù)估計(jì)技術(shù)由熱響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)土壤傳熱系數(shù)和鉆孔熱阻．Lamarche[59]提出一種基于任意響應(yīng)因子的快速算法；西安交通大學(xué)的曹琦教授將地源熱泵換熱器進(jìn)行了熱電比擬分析[66]，這是一種以新思路和新角度的分析方法．Li Min[62]基于線源模型提出一種G函數(shù)模型，并成功用于熱響應(yīng)測(cè)試分析．王慶華[21]利用線源模型、柱源模型、數(shù)值模型和變熱流模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和比較，在測(cè)試孔深和測(cè)試時(shí)間足夠的條件下，線源模型即可滿足要求．

2.2 數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)方興未艾．?dāng)?shù)值模型能更真實(shí)的反映實(shí)際問題，接近實(shí)際工況．以上模型是對(duì)實(shí)際問題理想化了的模型，得到了模型的分析解，該解是對(duì)實(shí)際問題的近似．而最能逼近實(shí)際結(jié)果的方法之一是進(jìn)行數(shù)值模擬，可以對(duì)不同工況結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)．當(dāng)然，應(yīng)保證模擬結(jié)果的可靠性．眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地埋管地源熱泵熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬[60-61]．

Choi[63],Raymond[64]考慮了地下水流動(dòng)和傳熱模型，Signorelli[65]對(duì)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，Lamarche[59]為提高對(duì)土壤源熱泵能量逐時(shí)數(shù)值計(jì)算速度，提出了一種arbitrary response factors快速計(jì)算算法．Bauer. D[67]對(duì)鉆孔熱交換器進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，采用了一種簡(jiǎn)化熱阻和熱容模型，提高了模擬的計(jì)算效率，該模型可利用參數(shù)估計(jì)方法對(duì)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估, 同時(shí)證明該暫態(tài)3D模型的可靠性．Raymond[68]利用2D數(shù)值模型進(jìn)行模擬，獲得鉆孔內(nèi)溫度演變過程．發(fā)現(xiàn)停止供熱后，鉆孔的溫度很快趨于均勻．地溫的回復(fù)與測(cè)溫傳感器的位置關(guān)系不大．地溫的回復(fù)和供熱數(shù)據(jù)將有利于確定鉆孔熱阻．Bozzoli[69]提出兩步參數(shù)估計(jì)過程方法．利用模擬和熱響應(yīng)數(shù)據(jù)修復(fù)灌漿和土壤的熱傳導(dǎo)率和體積熱容．分兩步:第一步 在最初暫態(tài)階段重建灌漿的熱傳導(dǎo)率和體積熱容．這兩個(gè)值用于第二階段．第二步在后面暫態(tài)階段重建土壤的熱傳導(dǎo)率和體積熱容．我國(guó)學(xué)者東南大學(xué)的喬衛(wèi)來等[70]熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了的數(shù)值模擬．劉俊等[71]對(duì)地源熱泵樁基埋管傳熱性能進(jìn)行了測(cè)試和數(shù)值模擬研究，并與熱響應(yīng)測(cè)試原理進(jìn)行了對(duì)比．該模擬方法可為熱響應(yīng)模擬提供參考．

根據(jù)熱電比擬，De Carli[72]為豎向地源熱泵熱交換器提出命名為計(jì)算容積阻性模型 CaRM(CApacity Resistance Model)的模型，并對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)[73]；Lamarche, L[74]建立了鉆孔間二維和三維熱阻模型，并與其他模型進(jìn)行對(duì)比，以熱響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證．Lee, C.K[75]利用隱式有限差分方程對(duì)地源熱泵熱交換器進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，而后又提出一種改進(jìn)型三維數(shù)值模型，該模型可進(jìn)行具有不同傳熱系數(shù)的多地層中（不考慮地下水的影響）的地源熱泵熱響應(yīng)模型[76]．Marco[43]提出一種溫度懲罰地源熱泵換熱器設(shè)計(jì)方法，該方法是ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[40]計(jì)算基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法．Marcotte[77]利用三維數(shù)值模擬方法研究鉆孔進(jìn)出口溫度與平均溫度間的關(guān)系，認(rèn)為鉆孔進(jìn)出口溫度與平均溫度間的一種p-線性關(guān)系．Nagendra K J[78]提出一種熱響應(yīng)測(cè)試中熱傳遞系數(shù)在線估計(jì)的方法．Underwood C.P[79]利用HVACSIM+軟件，采用脈沖響應(yīng)發(fā)對(duì)英國(guó)地源熱泵進(jìn)行了 10年期的能耗模擬．曲云霞[80]建立了地源熱泵的數(shù)值模型，并進(jìn)行了仿真研究．連小鑫[81]等采用Fluent軟件對(duì)垂直U型地埋管三維非穩(wěn)態(tài)熱滲耦合換熱進(jìn)行了研究．分析了土壤熱物性、管道流速、滲流速度以及回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)地埋管的換熱影響．Valentin Wagner[82]對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試數(shù)值模擬過程中影響模擬結(jié)果的各種因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析．王慶華[21]利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)測(cè)試過程中的土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，找出換熱器的傳熱規(guī)律，確定了熱作用半徑．Gustafsson[83]針對(duì)地源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬及分析，分別給出了冷熱工況模擬結(jié)果，并根據(jù)自熱對(duì)流數(shù)值模型確定了換熱等效作用半徑．作者所在的課題組對(duì)地埋管地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了全尺寸三維數(shù)值分析[17，84-85]．

3 變熱流法

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，很有可能發(fā)生斷電現(xiàn)象．而實(shí)際測(cè)試要求持續(xù)對(duì)地進(jìn)行干擾加熱，中間不能停止，否則實(shí)驗(yàn)要重新進(jìn)行．而這樣，要求地下溫度恢復(fù)到未加熱狀態(tài)，造成實(shí)驗(yàn)成本增加．通常，進(jìn)行48 h測(cè)試后，地溫恢復(fù)到原始狀態(tài)需要10到12 d左右．下次測(cè)試至少距離上次測(cè)試10～14 d，以使得鉆孔全面恢復(fù)到原形[40-41]．因此需要，尋找一種計(jì)算方法，對(duì)發(fā)生功率變化時(shí)（包括中間停止加熱），通過計(jì)算得到等效的加熱時(shí)間．Richard A.Beie[86-87]和胡平放[88]利用疊加原理解決了這種變熱流問題．Shonder[89]針對(duì)變功率（但沒有考慮零功率的情況）開發(fā)了程序，該算法基于逆建模（Inverse modeling）的思想．Gustafsson[90]進(jìn)行了碎石土質(zhì)中地埋管換熱器的變熱流率的熱響應(yīng)測(cè)試，指出大的功率會(huì)得到大的傳熱系數(shù)，而鉆孔熱阻幾乎不變．Liebel[91]研究了在變熱流情況下，鉆孔內(nèi)浮力熱對(duì)流對(duì)換熱器的影響．

4 測(cè)試精度分析

4.1 測(cè)量不確定性分析

4.1.1 測(cè)試時(shí)長(zhǎng)

測(cè)試的持續(xù)時(shí)間對(duì)于分析得出的土壤熱特性的可靠性是一個(gè)重要因素[92-94], 在熱響應(yīng)測(cè)試裝置起步之初就成為人們廣泛研究與討論的對(duì)象．

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗(yàn)，Austin[95]建議最小測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為50 h；Gelin提出最小測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為60 h，推薦測(cè)試周期為72 h．Smith and Perry[96]則認(rèn)為12～20 h就足夠了．他們解釋說，較短的測(cè)試周期得到保守的土壤熱特性（比如，此情況下得到的熱傳導(dǎo)率較?。?，從而提供保守的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證設(shè)計(jì)能夠完成．Beier[48]提出，沒有簡(jiǎn)單的規(guī)則來確定最小測(cè)試周期，需要根據(jù)鉆孔和土壤特性來估計(jì)實(shí)際測(cè)試時(shí)長(zhǎng)．ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[40]規(guī)定至少為 36～48 h．Sanner B[2]和 Spitler[12]均建議至少 50 h．Raymond[4]利用抽水試驗(yàn)原理提出測(cè)試時(shí)長(zhǎng)應(yīng)為使土壤溫度變化達(dá)到特定半徑為最佳．Javed S[97]以實(shí)測(cè)方法對(duì)影響熱響應(yīng)測(cè)試精度的因素分析研究．

作者認(rèn)為：最佳測(cè)試時(shí)長(zhǎng)以獲得線性直線為最佳．測(cè)量至約30 h后，實(shí)時(shí)計(jì)算各參數(shù)并記錄結(jié)果，如果各參數(shù)（巖土熱導(dǎo)率和熱阻）變化范圍在±1%內(nèi)，再停止實(shí)驗(yàn)，否則繼續(xù)．

4.1.2 電壓波動(dòng)影響

施工現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，其他設(shè)施工作時(shí)，存在其他電機(jī)、電力設(shè)施的干擾，會(huì)影響電壓穩(wěn)定性，導(dǎo)致加熱熱流不穩(wěn)定．在保證持續(xù)供電的前提下，要保證電力電壓的平穩(wěn)．要求輸入功率穩(wěn)定在平均值的±1.5%內(nèi)，最大偏差不能超過±10%．文獻(xiàn)給出了輸入功率在±1%變化條件下對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響定量信息．熱導(dǎo)率和熱阻的最大偏差分別為±1%和±2%．

另一方面，電壓波動(dòng)會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而影響流體流量的變化．而且，電壓波動(dòng)對(duì)傳感器測(cè)量精度也會(huì)造成影響，作者認(rèn)為：解決此影響的途徑有兩個(gè)：一是從硬件方面：有必要增加穩(wěn)壓設(shè)備，但如果制冷或加熱設(shè)備功率較大（超過3 kW）時(shí)，穩(wěn)壓設(shè)備價(jià)格將會(huì)很高；二是從軟件方面，開發(fā)閉環(huán)控制算法，克服壓力波動(dòng)帶來的影響．實(shí)時(shí)測(cè)量流量和設(shè)備功率，當(dāng)流量或功率發(fā)送波動(dòng)時(shí)，通過控制響應(yīng)的設(shè)備，如變頻器或可控硅來調(diào)節(jié)流量和功率，使其維持需要的值．

4.1.3 傳感器測(cè)量精度

溫度、流量、功率是實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)鍵的測(cè)量元件，要求其測(cè)量精度必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)．測(cè)量誤差將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差．未進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定的傳感器、傳感器的不正確安裝以及周圍的干擾（如環(huán)境溫度、電磁干擾等）均會(huì)影響傳感器的精度．要保證設(shè)備能夠保溫絕熱，U型換熱器出口至設(shè)備間的距離盡可能的短，從而避免外界環(huán)境對(duì)溫度的影響，采用屏蔽導(dǎo)線，阻止電磁干擾．條件允許的話，采用多個(gè)傳感器對(duì)流體溫度進(jìn)行測(cè)量．為此，Sharqawy[28]給分別對(duì)溫度、流量、功率的測(cè)量?jī)x器對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果影響的不確定性進(jìn)行了定量分析．

4.1.4 土壤初始溫度的影響

實(shí)際上，采用線性熱源模型時(shí)，土壤初始溫度的不確定性對(duì)土壤熱導(dǎo)率的測(cè)量不存在影響，但影響熱阻結(jié)果．目前，多位學(xué)者對(duì)土壤初始溫度的影響進(jìn)行了定量和定性分析．Saqib Javed[97]給出了在土壤溫度相差 0.2度時(shí)，對(duì)熱阻測(cè)量結(jié)果的影響．Gehlin, S[98]對(duì)土壤初始溫度測(cè)量方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究．瑞典皇家理工學(xué)院José Acu?a[99]中的熱響應(yīng)裝置利用光纖溫度傳感器可對(duì)地下260 m深的溫度進(jìn)行分布式測(cè)量（空間分辨率為1 m或2 m）．該傳感器沿鉆孔外壁布置，因此也可以測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的地下溫度實(shí)時(shí)變化情況．Kavanaugh[54]進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試時(shí)對(duì)遠(yuǎn)離鉆孔為 36英寸范圍內(nèi)的土壤溫度也進(jìn)行了測(cè)量，獲得了熱響應(yīng)測(cè)試12 h與48 h后地下各點(diǎn)間的溫度廓線及溫差，這些數(shù)據(jù)為分析地埋管熱特性提供了數(shù)據(jù)參考．國(guó)內(nèi)學(xué)者鄭紅旗[100]對(duì)地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場(chǎng)的進(jìn)行了測(cè)試分析．

4.1.5 固有輸入?yún)?shù)的影響

土壤容積熱容對(duì)熱導(dǎo)率沒有直接影響．采用線源時(shí)，土壤體積熱容是估計(jì)熱阻的間接輸入?yún)?shù)．

外界環(huán)境溫度對(duì)流體溫度存在影響，測(cè)量的流體溫度存在環(huán)境溫度的疊加影響因素．為減少這種影響，可對(duì)流體的進(jìn)出溫度進(jìn)行修正，公式如下：

熱交換器的入口修正水溫：

熱交換器的出口修正水溫：

4.1.6 鉆孔形狀

鉆孔深度影響加熱功率（導(dǎo)入熱流量）．1%的不確定會(huì)產(chǎn)生 1%的誤差．鉆孔半徑影響土壤熱阻．3%的不確定會(huì)產(chǎn)生3%～4%的誤差．Saqib Javed[97]認(rèn)為U型管的特性和布局、填料的性能以及鉆孔半徑對(duì)土壤熱阻有影響．

不同材料產(chǎn)生不同的熱傳導(dǎo)系數(shù)，最新研究表明，三孔型換熱器比傳統(tǒng)的U型管換熱器具有更高的熱傳導(dǎo)率[101]，但其造價(jià)相對(duì)較高[102]，因此實(shí)際應(yīng)用不常見．

4.2 參數(shù)敏感性分析

針對(duì)以上不確定性因素，分析各參數(shù)受不確定性因素影響的敏感性．實(shí)際上，越不敏感說明參數(shù)越穩(wěn)定．Saqib Javed[97]給出各種影響因素的敏感性分析定量信息．實(shí)際上對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果的影響因素較多．利用水文抽水試驗(yàn)中的疊加原理可以解釋環(huán)境溫度對(duì)熱響應(yīng)的影響[92]．水泵功率對(duì)地溫影響可通過計(jì)算消除．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)室外環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，有利于修正測(cè)量結(jié)果．常桂欽[93]通過數(shù)量級(jí)比較和參數(shù)估計(jì)法處理理論值和模擬值，分析各參數(shù)間的相互影響．得出結(jié)論：巖土的單位體積定壓熱容對(duì)鉆孔周圍巖土熱導(dǎo)率的影響較小，鉆孔周圍巖土熱導(dǎo)率對(duì)其他兩個(gè)參數(shù)的影響較大．而且，環(huán)境溫度和熱虹吸效應(yīng)對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，Bandos T.V[103]對(duì)室外溫度變化對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，給出定量分析結(jié)果．Gehlin S[104]研究了熱虹吸效應(yīng)對(duì)熱響應(yīng)測(cè)量結(jié)果的影響．

5 實(shí)例分析

作者自行開發(fā)了一套巖土熱物性測(cè)試儀如圖 2所示．該測(cè)試儀完全參照《規(guī)范》[39]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)的要求設(shè)計(jì)的，采用的儀器精度也完全滿足規(guī)范的要求．該測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)儀器控制面板上的按鈕對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的操作，也可以通過計(jì)算機(jī)利用軟件系統(tǒng)自動(dòng)操作實(shí)驗(yàn)儀器．所有模擬量輸入和輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和記錄，數(shù)據(jù)采樣周期和記錄時(shí)間間隔可在1 s至24 h（或更大）范圍內(nèi)任意設(shè)定．該試驗(yàn)平臺(tái)中還配備有可控硅和變頻器，可實(shí)現(xiàn)地埋管內(nèi)循環(huán)水流量（0～2 m3/h）和加熱功率（0～9 kW）的自動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)．系統(tǒng)增加了自動(dòng)控制策略，能夠克服管路阻力、水泵特性及不可預(yù)測(cè)的干擾對(duì)地埋管內(nèi)循環(huán)水流量的影響，保證流量的恒定；同時(shí)可以克服電網(wǎng)波動(dòng)及加熱器加熱性能變化等對(duì)加熱功率的影響，在外界發(fā)生干擾時(shí)，保證加熱功率快速回到預(yù)定值．U型地埋管進(jìn)出口分別設(shè)置兩個(gè)高精度溫度傳感器，起到了冗余備份作用．系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備連鎖啟停-安全保護(hù)-狀態(tài)監(jiān)測(cè)-上位管理（數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與圖形化顯示）等功能．具有良好的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)所有模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)的在線采集和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)．自行開發(fā)的熱響應(yīng)分析軟件，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，獲得巖土熱參數(shù)．

圖2 巖土熱物性測(cè)試儀實(shí)物圖Fig.2 Photo of thermal response test equipment

6 討論

實(shí)際上，地源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試需要考慮諸多因素．方亮[105]對(duì)地埋管換熱器熱響應(yīng)試驗(yàn)中采用的“恒熱流法”和“恒溫法”進(jìn)行了對(duì)比分析．王雷崗[106]從工程的角度分析了與熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)有關(guān)的幾個(gè)地源熱泵設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題．地下水對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果也存在影響，比如地下水流動(dòng)的影響[107]以及地下水位的影響[108-109]利用數(shù)值模擬方法研究了地下水對(duì)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響，并進(jìn)行了定量分析比較，Wagner[110]分析了地下水對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果的影響因素．Julio Martos[111]認(rèn)為超過25 m時(shí)，鉆孔換熱效率將會(huì)降低，因此，25 m是最佳深度．

實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，電壓不穩(wěn)定，而且常常出現(xiàn)停電現(xiàn)象．因此，備用發(fā)電機(jī)是必要的（發(fā)電機(jī)的性能也是重要的，影響頻率變化和控制效果）．利用信息技術(shù)（自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)等）改善熱響應(yīng)測(cè)試水平，減少誤差，提高抗電壓干擾的能力，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，不便于人工長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和操作設(shè)備，無線技術(shù)如Zigbee, GPRS無線通信技術(shù)的采用，為熱響應(yīng)測(cè)試帶來了便利．利用無線技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，避免繁瑣的布線，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控．西班牙人Julio Martos[111]自制球形無線傳感模塊，其內(nèi)封裝有CC1010無線射頻芯片．試驗(yàn)時(shí)將該球形傳感器從U型管入口處塞入，隨著水流動(dòng)，傳感器將由U型管出口處流出，遍歷整個(gè)U型管．因此可獲得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的水溫．鑒于野外實(shí)驗(yàn)條件的不利因素的影響和限制，將會(huì)有更多新型無線傳感技術(shù)應(yīng)用到熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中[112][113]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程訪問和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,節(jié)省財(cái)力人力．近年來，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)傳感器應(yīng)用到熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，比如光纖傳感器．Fujii,H[114]采用光纖溫度傳感器進(jìn)行地溫測(cè)量，這是目前最新技術(shù)的應(yīng)用．

近年來關(guān)于地源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試出現(xiàn)了一些新的研究思路和研究方向：水文水資源方向進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)研究和理論研究已經(jīng)很成熟，而熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)及理論研究還處于初級(jí)研究階段，兩者具有共性．因此，可以借鑒抽水實(shí)驗(yàn)中理論來指導(dǎo)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)．現(xiàn)在已有學(xué)者對(duì)熱泵熱響應(yīng)試驗(yàn)與水文地質(zhì)學(xué)中的抽水試驗(yàn)進(jìn)行了類比分析[4，25]．作者認(rèn)為：地下水流動(dòng)與地?zé)崃鏖g具有直接的數(shù)學(xué)相似性．

外加擾動(dòng)以激勵(lì)系統(tǒng)，使原系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變，以獲得系統(tǒng)固有特性．這種思想類似于控制系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)．可將系統(tǒng)辨識(shí)理論引入到熱響應(yīng)測(cè)試中．實(shí)際上，熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)是給換熱器一個(gè)階躍干擾（加熱或制冷）后，土壤與換熱器直接的階躍響應(yīng)．可利用參數(shù)估計(jì)法對(duì)該“系統(tǒng)”進(jìn)行階躍響應(yīng)參數(shù)估計(jì)，在縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間的同時(shí)，獲得所需參數(shù)（如鉆孔熱導(dǎo)率，換熱器與大地間的熱阻，等）．利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)活動(dòng)土壤特性，類似給控制系統(tǒng)增加階躍激勵(lì)，是系統(tǒng)發(fā)生階躍響應(yīng)，從而了解系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，這種情況在控制系統(tǒng)中已研究多年．利用控制系統(tǒng)建模的思想進(jìn)行土壤源熱泵設(shè)計(jì)參數(shù)估計(jì)（熱導(dǎo)率和熱阻）．系統(tǒng)辨識(shí)是一種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論分析相結(jié)合的方法．而這種結(jié)合之所以可能，正是因?yàn)樗隙诉@樣一個(gè)理論前提，即系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)中包含了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信息．實(shí)際上作者可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的思路，如熱響應(yīng)-階躍響應(yīng)-系統(tǒng)激勵(lì)-參數(shù)辨識(shí)-電比擬-熱阻-電阻．

另外，巖土熱物理性質(zhì)的隨鉆測(cè)量方法[83]將是熱響應(yīng)測(cè)試今后的一個(gè)研究方向．而且，進(jìn)行孔群測(cè)試是熱響應(yīng)測(cè)試發(fā)展的必然趨勢(shì)．

7 結(jié)論

對(duì)地埋管地源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試相關(guān)報(bào)道進(jìn)行了綜述，指出目前熱響應(yīng)測(cè)試存在的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)．

土壤源熱泵節(jié)能同時(shí)對(duì)環(huán)境基本沒有污染是其最明顯的優(yōu)點(diǎn)之一，但需要占用較大土地資源，這在緊張和昂貴的土地面積的社會(huì)現(xiàn)狀下（特別是我國(guó)），可以說這是其在某些場(chǎng)合特別是大城市不被廣泛采用的原因之一．在人口密集的城市，用地緊張而無用地專門設(shè)置地埋管換熱器，成為應(yīng)用地源熱泵空調(diào)技術(shù)的一個(gè)障礙，解決此問題的一個(gè)途徑是在盡量利用地裂帶和綠化帶，以及其他景觀用地的地下空間．目前城市稀缺的土地資源和高昂的土地價(jià)格已成為土壤源熱泵發(fā)展的主要瓶頸．合理利用閑置土地，如地裂帶等，是發(fā)展該節(jié)能措施的途徑之一．另外，較高的初投資也是阻礙地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的另一原因．其節(jié)能效果在后期才能得以顯現(xiàn)，因此廣泛被認(rèn)為“節(jié)能不節(jié)錢”．地源熱泵的廣泛推廣離不開政府的大力支持．這種矛盾現(xiàn)象在歐美國(guó)家并不突出，因此歐美國(guó)家采用這種熱泵方式較多，而且常常是家庭住戶．水資源短缺（尤其我國(guó)西部）及水資源保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，加上當(dāng)前多個(gè)城市出現(xiàn)地面下沉現(xiàn)象，水源熱泵的應(yīng)用未來會(huì)受到限制．污水源熱泵是目前研究和應(yīng)用的熱泵形式中較為受歡迎的．

地源熱泵在建筑節(jié)能中的效益尤其明顯，使其在近年來的應(yīng)用得到了更大的發(fā)展，其對(duì)合理利用我國(guó)地?zé)豳Y源，減少其它能源消耗，保護(hù)環(huán)境等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．然而，土壤源熱泵受觀念、空調(diào)技術(shù)與其它技術(shù)配合、對(duì)環(huán)境影響、高初投資、安裝維護(hù)和土壤特性地域性等因素的影響，其在我國(guó)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)，而且，地源熱泵技術(shù)在中國(guó)如火如荼地發(fā)展?fàn)顩r與熱物性測(cè)試技術(shù)的發(fā)展是不相適宜的．作者在文中指出的土壤源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試技術(shù)方面存在的問題需要廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員來亟待解決的．

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