垂直沟槽平面地热收集器热响应特性的实验数据集与验证研究

《Scientific Data》：Thermal reaction of the subsurface on the operation of a geothermal planar trench collector

本研究为解决地热收集器设计模型验证数据缺乏的问题，研究人员通过建立垂直安装的平面沟槽地热收集器实验平台，开展了热响应测试与热特性监测研究，获得了包含温度、体积含水量和电导率的多维度数据集，为地热系统优化设计提供了重要的数据支撑和验证基础。该数据集已发表于《Scientific Data》并对外开放，对推动可再生能源发展具有重要意义。

　　

随着全球能源转型的加速推进，地源热泵系统作为化石能源的可持续替代方案正受到越来越多的关注。然而，地热收集器的多样化配置导致其热行为存在显著差异，亟需相应的设计模型进行准确预测。特别是对于安装在沟槽中的平面地热收集器，现有的实验数据极为匮乏，这严重制约了其优化设计和性能提升。

为了填补这一空白，来自德国比伯拉赫应用技术大学、卡尔斯鲁厄理工学院和欧洲能源研究所的研究团队在QEWSplus研究项目支持下，建立了一个独特的实验平台。该平台采用垂直安装在沟槽中的平面地热收集器，通过多种先进的测量技术对收集器及其周围地下的热行为进行全方位监测。

研究人员在2022年至2024年间进行了四次重要的实验测试，包括三次热响应测试和一次冷却实验。这些实验产生了丰富的数据集，现已通过Zenodo平台对外开放。这些数据不仅能够用于验证数值和解析模型，还能帮助研究人员深入理解地热收集器的实际热行为，为操作策略的制定提供重要依据。

实验平台的核心是一个高1.2米、长7米、厚6毫米的聚丙烯平面收集器，内部包含199个小通道，其中189个为活性通道。收集器垂直安装在沟槽中，上方覆盖70厘米厚的土壤层。由于现场地质条件复杂，安装过程中遇到了沟槽坍塌风险和较大岩石障碍，导致收集器无法完全垂直安装，这一实际情况也被详细记录并与测量数据一同公布。

关键技术方法包括PT100温度传感器四线制测量技术、分布式光纤温度传感(DTS)系统以及土壤水分传感器的综合应用。PT100传感器采用四线技术连接，通过恒定电流发生器和高精度数字电压表实现精确温度测量，并按照DIN EN IEC 60751标准进行校准。分布式温度传感系统使用110.5米长的光纤电缆，通过分析拉曼反斯托克斯信号与斯托克斯信号的比值来确定温度分布。土壤水分传感器则基于频域反射原理，通过测量土壤介电常数来间接测定体积含水量，同时监测土壤温度和体积电导率。

温度测量系统的建立与验证

研究团队建立了完整的温度监测系统，包括安装在收集器上的PT100传感器、固定在结构钢垫上的光纤电缆以及打入地下的附加温度传感器。PT100传感器采用四线制测量技术，有效避免了长连接导线电阻带来的测量误差。每个传感器都经过严格校准，校准过程涵盖整个测量链的所有组件，确保测量数据的准确性。温度转换采用牛顿-拉夫逊方法进行验证，结果显示与精确解的偏差小于1×10^-6°C，证明了测量系统的可靠性。

光纤温度监测的实施

分布式温度传感系统为研究提供了连续的温度分布数据。光纤电缆固定在结构钢垫上，与收集器的水平距离在10厘米到40厘米之间变化。测量期间，DTS单元交替从光纤两端发射激光脉冲，通过双端测量技术提高了电缆中心区域的测量精度。数据显示，收集器及其周围地下的加热过程清晰可见，温度分布反映了收集器与钢垫之间不同距离的影响。

土壤水分与电导率监测

五个土壤水分传感器以L形布置在平面沟槽收集器附近，水平安装以确保能够测量全部降水。这些传感器每10分钟记录一次数据，测量值是一分钟内数据的平均值。传感器基于频域反射原理，在70MHz的介电测量频率下工作，通过测量土壤介电常数来计算体积含水量。同时，传感器还监测土壤温度和体积电导率，电导率测量值通过温度校正公式转换为25°C下的标准值。

热响应测试的数据采集

四次实验测试产生了丰富的数据集。第一次热响应测试于2022年4月28日开始，持续到5月3日，热注入率为0.88kW(105W/m²)，体积流量为1.00m³/h。第二次测试于2023年2月28日至3月6日进行，热注入率提高至1.51kW(180W/m²)。第三次测试于2023年4月6日至13日进行，热注入率为1.54kW(183W/m²)。第四次实验为冷却测试，于2024年5月2日至12日进行，热提取率约为-0.7kW(83W/m²)。

数据记录与质量控制

所有测量数据都经过严格的质量控制。PT100温度数据以一分钟间隔连续记录，采用YYYY-MM-DD hh:mm:ss的时间戳格式。土壤水分数据每10分钟记录一次，是每分钟测量值的平均值。数据文件采用标准格式存储，温度值使用点作为小数分隔符，土壤水分数据使用分号作为测量值分隔符。每个传感器都有唯一的标识符，按照统一的命名系统进行标注，便于数据追溯和分析。

本研究通过建立全面的实验监测系统，获得了平面沟槽地热收集器在热响应测试中的详细数据。这些数据不仅揭示了收集器及其周围地下的热行为特征，还为地热系统的优化设计提供了重要依据。实验平台的独特设计和多种测量技术的综合应用，确保了数据的可靠性和完整性。

研究结果表明，垂直安装的平面沟槽收集器在热响应测试中表现出稳定的热性能，温度分布数据清晰地反映了热传递过程。土壤水分和电导率的同步监测为理解地下热湿耦合过程提供了宝贵信息。特别是热注入前后土壤水分变化的监测数据，有助于分析热量注入或提取对周围土壤水分状况的影响。

该研究的创新之处在于提供了迄今为止最为详细的平面沟槽地热收集器实验数据，涵盖了温度、水分和电导率等多个物理场。这些数据对于验证数值模型、优化系统设计以及制定运行策略都具有重要价值。随着地源热泵技术的推广应用，这类高质量的实验数据将为实现碳中和目标提供有力支持。

数据集已通过Zenodo平台对外开放，包括PT100传感器数据、光纤测量数据和土壤水分数据。此外，研究团队还提供了数据验证的Python代码，便于其他研究人员使用和验证。这些资源的开放共享将促进地热研究领域的进一步发展，推动可再生能源技术的创新与应用。