寒区多年冻土条件下地源热泵系统热响应测试关键技术研究

【资料简介】

寒区多年冻土条件下地源热泵系统热响应测试关键技术研究

摘要

冻土区开展地源热泵开发，地层存在冻结‑融化交替相变过程，岩土热物性参数会随温度发生明显改变，常规地区热响应测试方法已经不能适用。本文阐述多年冻土地层竖直地埋管开展热响应测试的技术难点；介绍北京鸿鸥成运仪器设备冻土区地源热泵成套监测系统，包含高精度分层地温探头、管路流量‑压力采集模块、野外一体化监测控制柜；结合青藏高原寒区示范工程开展原位热响应测试，分析冻融相变作用对岩土导热系数测试结果带来的干扰；给出冻土环境下热响应测试施工、数据采集、数据修正方案，为寒区地源热泵地埋管设计提供实测依据。

关键词：多年冻土；地源热泵；热响应测试；岩土导热系数；冻融相变；寒区地热开发；原位测试

0 引言

浅层地源热泵技术在国内建筑供暖制冷领域广泛应用。在青藏高原等高海拔寒区，如果开发地源热泵，地层属于多年冻土地层，地质条件和内地普通地层差异巨大。在内地非冻土区域，热响应测试是获取岩土导热系数、指导地埋管长度设计的核心手段。但是在多年冻土区，测试过程当中换热管持续放热，周边冻土发生融化，出现冻融相变潜热，直接干扰热响应测试数据，套用常规计算模型会得到错误的导热系数结果，造成地埋管设计偏差。

目前国内冻土区地源热泵工程案例相对较少，针对冻土条件下热响应测试的成套监测技术、数据修正方法还需要进一步优化。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司开发冻土区地源热泵成套监测装备，实现换热井温度、流量、压力、地层分层地温多参数同步采集。本文结合示范工程，研究冻土条件下热响应测试关键技术。

1 多年冻土区热响应测试难点

常规热响应测试，向地埋管内通入恒定功率加热介质，采集进出口水温变化，计算岩土综合导热系数。多年冻土区开展测试，存在三大难题。

第一，相变潜热干扰。测试加热过程，钻孔周边冻土从冻结状态转变为融化状态，融化过程吸收大量相变潜热，热量被用来融化冻土，而不是向岩土内部传导，会造成测试采集温度变化规律发生畸变，如果直接使用常规模型计算，导热系数计算结果会严重失真。

第二，原始地层温度场复杂。多年冻土不同深度初始地温差异大，存在冻结层、融化夹层，初始地温场需要精准测量。

第三，野外现场条件恶劣，很多项目现场无市政市电，测试设备、监测设备需要适配低温野外工况。

第四，测试过程加热扰动，会造成钻孔周边冻土融化，测试结束之后，需要评估测试本身对地层冻土环境带来的扰动。

2 冻土区地源热泵成套监测系统

北京鸿鸥成运冻土区地源热泵监测系统分为两大部分：换热管路参数监测、钻孔外围地层地温监测。

管路监测模块：采集地埋管进出口水温、循环水流量、系统压力，高频采集，记录热响应测试全过程换热参数。

地层地温监测：在热响应测试孔周边布设观测钻孔，下放分层测温探头，监测测试全过程外围地层不同深度温度变化，捕捉冻土融化发展过程。

一体化野外控制柜集成采集模块，支持太阳能辅助供电，485 Modbus通讯，数据上传云平台，实现全过程远程记录，避免人工记录带来人为误差。

3 示范工程概况

示范工程位于青藏高原多年冻土边缘区域，建筑拟采用竖直地埋管地源热泵系统供暖。地层上部为粉质黏土，下部为风化基岩，存在多年冻土，钻孔深度100m。开展原位热响应测试，同时在外围观测孔布设鸿鸥成运分层地温监测系统，记录测试全过程地层温度演化。

4 现场测试实施流程

4.1测试前期准备

测试之前，首先长时间观测钻孔原始地层温度场，获取未受扰动的初始地温剖面，确认各个深度原始冻结、融化状态。记录完整初始地温，是冻土区热响应测试的步骤，普通地区热响应测试经常忽略该环节。

4.2开展恒定功率加热测试

开启加热主机，维持恒定加热功率，连续开展热响应测试。系统同步采集管路进出口温度、流量，同时外围观测孔持续采集地层地温，记录冻土融化界面随时间向外扩展全过程。

测试过程中可以明显观测到：钻孔周边冻土发生融化，相变潜热大量消耗输入热量，进出口水温上升速率和非冻土地层表现明显不同。

4.3测试后恢复期监测

停止加热之后，继续开展一段时间监测，观测融化区域土体重新回冻过程，评估测试作业对冻土地层带来的扰动范围。

5 测试数据处理与修正思路

直接套用内地常规热响应解析模型，没有考虑相变潜热，得到的岩土导热系数偏低。处理思路分为两步：

第一，识别相变影响阶段。测试前期，热量主要用于冻土融化相变，该段数据不能直接用于导热系数计算，需要剔除相变主导阶段的数据；

第二，待相变完成，土体融化之后，进入纯热传导阶段，选取该阶段的数据开展计算；结合外围观测孔地温监测结果，判断相变完成时间节点。

同时结合初始地温剖面、地层岩土勘察资料综合校正，得到相对可靠的综合导热系数。如果忽略相变效应，直接套用常规算法，会造成地埋管设计长度计算错误，给后续地源热泵运行埋下隐患。

6 冻土区热响应测试工程建议

1、测试前必须实测完整原始地层地温剖面，掌握地层冻结融化状态；

2、配套外围地温观测孔，监测冻土融化发展过程，区分相变阶段与纯热传导阶段；

3、加热功率不宜过大，过大功率会造成过大范围冻土融化，加剧地层扰动；

4、测试结束后持续监测地层回冻过程，评估测试作业带来的地质扰动；

5、冻土区地源热泵设计，不能简单照搬内地经验，充分考虑冻融相变对换热性能的影响。

7 结论

（1）多年冻土区开展地源热泵热响应测试，冻融相变潜热会强烈干扰测试数据，常规热响应计算模型不能直接照搬使用。

（2）北京鸿鸥成运冻土地源热泵成套监测系统，可以同步采集管路换热参数与外围地层分层地温，完整记录测试全过程地层冻融演化。

（3）测试需要实测初始地温场，借助外围地温监测识别相变阶段，剔除相变主导段数据，选取相变完成后的数据开展导热系数计算。

（4）冻土区热响应测试，同时要兼顾测试本身带来的冻土扰动，控制加热功率，测试完成后开展恢复期监测，降低测试对冻土地质环境的破坏。

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

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