重庆市某高校绿色建筑示范楼 地热能换热性能测试及分析
后勤工程学院 吴祥生 杨嘉 黄金强
第二炮兵设计院 信海
摘要 为了使建筑达到更好的节能效果，在确定采用地源热泵作为冷热源后，本文针对该建筑所在地进行了地热能换热性能的测试与分析，在测试和分析的基础上，对地下埋管作出了合理的选择。
关键词 地热换热性能 测试 误差分析 单U型管 双U型管
1 建筑概述 该建筑是重庆市某高校一绿色建筑示范楼，是集办公室、客房、餐厅、会议室、宿舍、教室、影剧室、健身房等于一体的多功能建筑。建筑总面积为11000m2，建筑层数5层，建筑高度为21.2m。预计节能率达到75%，采用地源热泵作为冷热源。所以本文就该建筑的地热能换热性能进行测试与分析。 2 地热换热性能测试 2.1 测试内容 本测试依据为《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）及《水源热泵机组》（GB/T19409-2003），测试时间为2008年5月，测试内容包括地下埋管换热器制作、热电偶制作及标定、安装换热器及测温点，对双U型管、单U型管进行夏季工况的变流量换热性能测试，对土壤导热系数理论计算及测试，并进行测试数据的分析。 2.2 测试原理 采用电加热法测试，即通过向地下输入恒定的热量，通过液体进出U型管的温度，计算出换热量。其原理如图1。从图1可以看出，流体经过电加热器加热后，被送入地下，由于加热后的流体温度高于地下土壤的温度，热量通过管壁由流体向土壤放热，因而从地下再回到测试仪中的流体的温度就存在一定的变化，这就是地下土壤的温度响应。在仪器与地下管路相连的地方各设置一个温度传感器，采集管道平均温度的实时数值，这是用来测试地下换热器换热性能的关键数据。 补水装置图 例：P3T2截止阀放气阀接U型管T1P2P1接电源T温度传感器温度计水泵注：T1、T2、流量计、电加热器均连接到电脑进行数据采集电加热器P压力表流量计 图1 地热换热性能测试原理图 2.3 测试步骤
（1）首先根据测试要求，进行相关的准备工作，如管材的选择、热电偶制作与标定、测试仪器与管材的连接、地下换热器与热电偶巡检仪的试运行检测工作。由于测试井孔径为110mm，本次测试选用PE管，管径为32mm，管件之间采用热熔连接，阀件部分采用丝扣连接。
（2）试压。根据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）规定，分别在管道连接后（下管前）以及在下管后（回填前）进行了两次试验。然后对照规范规定：“稳压后压力降不应大于3%”，根据测试结果，试压情况符合规范要求。
（3）测温点的分布。根据测试井的深度，结合前期的相关工程测试数据分析结果和理论计算结果，分别在埋深1m、3m、5m、10m、20m、30m、50m、70m、100m处设置测温点，每个测温点布置4个热电偶。
（4）下管。采用人工下管，下管的同时将制作好的热电偶粘贴在管壁上，间隔1米设置一个管卡。测试井深为103m，孔径110mm。
（5）回填。采用细沙直接回填，在回填之前对细沙进行翻晒、筛滤，保持细沙干燥，便于回填。 3 测试误差分析
3.1 温度测量误差分析
测试仪器配带的温度自动采集系统，是以热电偶和热电阻为测温元件，在不考虑传热误差情况下，其误差由下列几个方面组成：
（1）分度误差1
所采用的热电阻会因材料制作工艺而有所不同，形成了热电阻的分度误差。
1(0.30.006)
t式中：t为温度测量平均值。 （2）线路电阻变化引起的误差2
线路电阻变化引起的误差主要有：恒温槽温度偏差1，人员读数偏差2，万用表精度误差3。一般分别取0.05℃、0.01℃、0℃。
21230.051
222（3）自然误差3
由于电流加热电阻而引起的附加误差，与电流大小和介质有关，一般规定电流流量不超过6mA，其自然误差不超过0.1℃，所以取3=0.1℃。
整个测温系统的误差123
2223.2 流量测量误差分析
流量测量仪器为超声波流量计，使用传播时差法测量流量，与其他的测量原理相比较，“时差法”在精度和测量范围等方面都具有更好的性能。该流量计的误差为1.5%。 4 测试结果及数据分析
根据《水源热泵机组》（GB/T19409-2003）中的冷热水型机组的额定工况表，冷凝器出水温度为35℃。本次试验通过调试测试仪器，使得进入地下换热器的水温度（进水温度）稳定在33.5~34.5℃左右，待地下换热器换热过程趋于稳定后，记录出水温度，计算出水温差，根据测试仪器上显示的瞬时流量值，计算地下换热器单位井深换热量。对双U型管夏季工况换热量模拟共进行了四组不同流量的测试，分别为1.6 m/h、1.9m/h、2.2m/h、3.0m/h，由管径计算得到对应的流速分别为0.42m/s、0.50 m/s、0.58 m/s、0.79 m/s。根据测得各工况下进出水温度变化、瞬时流量，得到各工况下的单位井深换热量，见表1。
表1 不同流速下双U型管换热性能
流速
流量 m3/h 进水温度℃
m/s 0.42 0.50 0.58 0.79 1.6 1.9 2.2 3.0 34.1 33.9 34.0 34.0 3
3
3
3
出水温度℃
30.9 31.0 31.6 32.4 平均温差℃ 平均换热量W/m
3.20 2.90 2.40 1.60 66.37 71.40 68.44 62.20 从表1可以看出，对于用Φ32mm的 PE管制作的双U形地下换热器，在不同流速下，单位井深的换热量不同，根据测试结果，在流速为0.5m/s时单位井深换热量效果最好，为71.40W/m，换热温差约3℃。
双U型管夏季工况模拟测试后，关闭一组U型管，用相同的方式，对单U型管夏季工况模拟测试。进行了三组变流量测试，流量分别为1.1 m3/h、1.3 m3/h、1.6 m3/h，由管径计算得到相应的流速分别为
0.58 m/s、0.68 m/s、0.81 m/s。根据测得各工况下进出水温度变化、瞬时流量，得到各工况下的单位井深换热量，见表2。
表2 不同流速下单U型管换热性能
流速
流量m3/h 进水温度℃
m/s 0.58 0.68 0.81
1.1 1.3 1.6
35.1 35.0 35.0
出水温度℃
29.9 31.2 32.0
平均温差℃ 平均换热量W/m
5.2 3.8 3.0
74.15 .04 60.30
从表2可以看出，对于使用Φ32mm的PE管制作的单U型地下换热器，随着流速增加，单位井深
换热量呈减小趋势，在流速为0.58m/s时，单位井深换热效果最好。但根据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）的规定，单U型管最低流速不得小于0.6 m/s，所以对于单U型管，建议采用0.6 m/s的流速。
对比两组测试数据，可看出流速较低时，双U型管由于构造的原因使得换热管之间存在较明显的换热影响，从而使换热不充分，当随着流速的继续降低，这一影响更为突出，相比之下，单U型由于管间影响较小，可实现比双U型管较为充分的换热，故在流速较低时，单U型管比双U型管的换热效果更好；当流速增大后，由于支管间热回流，传热影响比例减少，而双U型管由于与土壤有更大的接触面积，换热效果增强，因而双U型管地下换热器单位井深换热量大于单U型管地下换热器单位井深换热量。
本次测试采用的管径为Φ32mm，根据测试结果分析，由于管径加大，在加大与土壤接触面积的同
时，也产生了负面影响，使得管间距离减小，增加了管间热影响，管内流速较低时，并不一定能实现与壁面的充分热交换。因此，对于管径的选择，建议选用Φ25mm的U形管；对于单位井深换热量，选择流速0.5m/s，双U型管单位井深换热量70W/m；对于管钻孔孔径，根据测试施工过程，建议采用Φ130mm孔径。
5 结语
通过对地热换热性能的测试分析，可知在较低流速下单U型管换热效果更佳，而在较高流速下双U型管换热效果较单U型管好。所以在实际工程中，我们应当充分考虑到这点，从而设计时作出更合适的选择。
参考文献
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