地源热泵测试报告.doc

康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告 书一、 项目基本情况（1） 项目概况邯郸市康桥国际大厦位于邯郸市邯山区陵园路东段，总建筑面积 48737.04m2，占地面积6916.9m2 。大厦地下2层，地上29层，局部30层。地下2层战时为人防，平时为汽车库，自行车库，及设备用房。1-3层为商业，4-29层为办公。总建筑高度为97.45m（地上），图1为康桥国际大厦总平面图。该项目拟采用地源热泵空调系统来解决建筑的夏季制冷、冬季采暖需要。 图1 康桥国际大厦总平面图（二）项目进度康桥国际大厦已于2009年6月开工建设，计划于2011年05月竣工并投入使用，目前该工程即将封顶，部分施工面的空调、水、电等各专业已具备进场作业的条件。二、 项目测试背景及目的（一）项目测试背景结合项目的特点、周围市政供热的现状，并考虑到系统的运行费用，康桥国际大厦项目拟采用地源热泵空调系统。地埋管换热器的换热能力及项目所在地土壤的地层情况作为地源热泵空调系统设计的核心、成败的关键，必须给予足够的重视；同时，该项目作为目前邯郸市最大的使用地源热泵空调这种清洁能源形式的项目，无已建成类似规模的项目实际运行数据可以借鉴，因此，为了确保本项目采用地源热泵空调形式的成功，并在邯郸地区起到示范作用，必须对项目所在地的地层情况、地埋管换热器的换热能力等进行测试，取得准确可靠的原始数据，为项目的设计提供可靠的依据。为了支持项目建设、配合工程进度，尽快确定地源热泵空调设计方案，北京金万众空调制冷设备有限责任公司于2010年8月5日至2010年8月17日在工地现场组织进行了钻孔试验及地埋管换热器竖直换热管换热能力测试。（二）项目测试目的本次测试的目的主要是希望通过本次测试，能够为整个项目的地源热泵空调系统设计提供准确的原始数据。具体包含以下几个方面：（1）了解项目所在地地层情况；（2）得出双U竖直换热管及单U竖直换热管的单井换热能力；（3）通过对单管换热能力测试给出群井换热能力分析。三、 项目测试单位基本情况康桥国际大厦项目地源热泵空调工程中的地埋管换热器竖直换热管换热能力测试由北京金万众空调制冷设备有限责任公司组织并实施， 北京工业大学热泵工程中心作为协作单位进行土壤热物性测试。（一）组织实施单位简介单位名称：北京金万众空调制冷设备有限责任公司单位简介：北京金万众空调制冷设备有限责任公司成立于1999年，一直从事中央空调设备的设计、生产、销售及空调工程的施工、安装，作为集国家标准起草单位、生产许可证获取单位、压力容器制造许可单位、空调工程施工资质单位为一体金万众公司可以向用户提供水源、土壤源热泵系统集成服务，可最大限度减少用户在项目实施过程的管理工作量和各工序之间的协调工作。尤其是针对一些地质条件特殊的用户，可以通过调整机组工况效率和热交换器的非标设计制造来为用户提供最适应使用条件的机组和系统。在实际建筑领域中，金万众公司的地源热泵机组凭借它节能、环保等优点得到了广泛的应用，位于北京望京地区的北京澳洲康都住宅小区就是其中之一，建筑面积28万平方米，全部采用地源热泵空调系统；国家大剧院、北京拉菲特城堡酒店、北京南滨河路住宅小区、北京邮电大学、北京金方大厦、北京宏福大厦、北京湖湾酒店、中国武警工程学院等等，都采用地源热泵技术供冷供暖。截至2007年12月，在北京市1078万平方米采用了地源热泵系统进行供冷供暖的建筑中有超过200万平方米选用了金万众的产品。（二）协作单位简介单位名称：北京工业大学热泵工程中心单位简介：北京工业大学热泵工程中心成立于2001年，主要由北京工业大学具有博士或硕士学位在职教师及研究生组成。北京工业大学热泵工程中心依托北京工业大学技术优势，一直致力于热泵技术研发和热泵系统设计，具体涵盖了地源、水源热泵相关技术的研究与应用，包括项目可行性分析、地下换热器测试、换热器的设计与计算、土壤蓄热技术及热泵与其他传统技术（太阳能）联合运行的研究等方面内容。北京工业大学作为在能源利用方面走在前列的高等学府，通过北京工业大学热泵工程中心也承担了多项国家级及北京市市级的科研项目，在国内外杂志期刊发表多篇高水平科技论文，获得了多项国家专利。北京工业大学热泵工程中心凭借多年的研究积累并参照国际标准，开发出了一套地源热泵系统地下岩土热物性测试设备和换热器的计算方法，目前已经完成多个测试项目，根据实际运行情况来看，效果良好，得到了多方认可。附表（一）为北京工业大学热泵工程中心的部分土壤热物性参数测试项目表。四、 项目测试的组织与实施（一） 测试孔位的确定结合现场实际情况，并与建设单位、设计单位协商，确认钻孔位置地下无其他管线时后，最终确定在建筑东北角的位置打两口测试井（单U、双U各一口），井径180-200mm，井深150m。图2为测试井位示意图。图2 测试井位示意图 （二） 地埋管换热器的设计及施工地埋管换热器是地源热泵空调系统的核心，而竖直地埋管换热管的换热能力就成为地埋管换热器设计及施工的重中之重，因此必须做好试验井的设计与施工，提高竖直地埋管的换热能力，保证测试数据的准确性、可靠性。 1、地埋管换热器的设计根据地源热泵系统工程技术规范，结合我公司施工经验，对两口测试井设计相关参数见表8。 2、竖直换热管公称压力选取综合考虑了项目特点，本次试验采用公称压力为1.6MPa的PE管材作为试验井的竖直换热管。竖直换热管及U型接头的受力分析详见第五部分第三节。 3、地埋管换热器的安装1地埋管换热器的安装分为钻孔、下管、回填等3个阶段，下面对这3个阶段的所采用的工法进行概述。（1）钻孔钻孔是竖埋管换热器施工中比较重要的工序。目前应用在地源热泵空调工程中的钻孔设备主要有转盘式钻孔机、冲击式钻孔机等，常用的动力有电动机和柴油机。钻孔设备及动力的选择根据地质条件的不同而有所差异，但电动转盘式钻孔机因其动力方便、更改不同的钻头适应多种地质条件而应用广泛。钻孔主要采用的方法有螺旋钻孔法、全套管法、回转斗钻孔法、冲击法等，不管哪种方法均需解决好钻井的排屑与注入物注入工艺，因为这两个方面对钻孔质量与效率影响都较大。常用的排屑工艺分为正循环法、反循环法、双管循环法。正循环法为泥浆、水或空气从钻杆中心压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间溢出到沉淀池。正循环法虽排渣速度较慢，但设备简单便宜，容易操作，安全性高，因而采用较多； 反循环法为泥浆、水或空气沿孔壁压入孔底，从钻杆中心孔中吸出到沉淀池的方法。由于该方法需要在孔口密封，施工现场不易做到，工艺复杂，速度慢，采用相对较少；还有一种双管反循环法，循环物质流经独立的进管和出管，这有助于减少钻孔裂缝，但目前较少采用。循环注入物质常选择水、空气或者泥浆、黏土等。它们的作用一是冷却钻头，二是带走切屑， 对于黏土、亚黏土层一般选择水作为注入物，由本土自行制浆护壁；对于沙土、沙层一般选择注入黏土或泥浆进行 护壁。清孔时一般选择清水或清浆。通过对本项目所在地的了解，本次测试采用是电动转盘式钻孔机，排屑则采用正循环的方法，泥浆从钻杆中心中压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间溢出到沉淀池，同时起到冷却钻头的目的。沉淀池位于钻孔西北侧3-4米处，收集容纳钻井时排出的泥（沙）浆。钻孔的同时，根据从井中返上来浆的组成并结合钻机在不同地层的运行特点，判断地层的类型及深度。图8为1号井地层类型及深度分布图。图3为现场钻孔情况。 图3 现场钻孔施工情况 图4 下管施工过程情况（2）下管下管是工程的关键之一，下管前后的试压工序、下管的深度控制不仅是地埋管安全运行的保证，也是保证地埋管总换热长度达到设计深度的重要步骤。目前多数地源热泵空调的施工企业或队伍在试压及下管工序做的并不很好，通常由于存在“出厂前已进行过水压试验，应该没问题”的侥幸心理，导致管材到场后不进行试压或进行简单的气压试验就下管；下管时没有管底部引导措施，致使管材在孔内成螺旋状或甚至暗地将管材将截断，根本达不到设计深度，达不到设计的排热或取热能力。即使达到设计深度，由于通常不安装管卡，致使井内换热管相互接触紧密，降低了换热能力。北京金万众空调制冷设备有限责任公司在这次测试下管过程中严格执行地源热泵系统工程技术规范中试压要求，在下管前进行压力试验，试压合格后将管卡安装固定完成后才进行下管。下管应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行，当钻孔孔壁不牢固或存在空洞洞穴致使成孔困难时设置护壁套管，本次钻孔孔壁牢固，因此不设护壁套管采用自然下管结合人工顶管的方法进行，先将顶管（32焊接钢管）与管材底部U型头固定，然后先依靠重力下管，随着深度增加钻孔底部泥浆浮力大于管材重力时，依靠人工向下顶管引导换热管及注浆管（采用原浆自然沉降方式回填时无注浆管，见下节详细介绍）尽量竖直地进入钻孔。然后进行第二次压力试验，试验完毕后U型管露出地面约2米，以便于后续测试时管道连接。图4为下管施工过程情况。（3）回填二次试压合格后应立即进行回填封井。地埋管换热器钻孔回填封井意义及目的，一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现土壤或回填料对管材的紧固作用。但由于本项目将来的钻孔位置距主楼较近，因此本次测试回填除了要考虑上述两方面外，还应考虑避免深井钻孔回填对大厦桩基产生不利的影响。目前通常采用的回填方式为原浆自然沉降回填，即回填时将第二口井排出泥浆排至第一口井，该方式容易实现工序的衔接，回填材料和人工成本均较低，但沉降较多，需要后期大量补填，换热效果相对较差。由于采用原浆回填，钻孔内材料抗挤压能力较低，就没有考虑对大楼的桩基的不利影响。考虑到项目的重要性及安全性，北京金万众空调制冷设备有限责任公司在这次试验测试回填中采用返浆法回填，即在下管时将注浆管与换热管一起下到钻孔底部，注浆回填时使用注浆泵从搅拌机里抽取回填料通过注浆管直接送入钻孔底部，使混合浆自下而上回填封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻，回填时根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出，直到井口外溢回填料为止。第一次回填完成一天后，由于失水等原因回填料下陷，试验井上部形成空腔，此时采用中砂、水、少量泥浆再次回填，一般反复两次至三次，基本能够完成回填，静止3天后进行测试。回填封井时采用低标号水泥砂浆，灰砂比为1：6，并根据粘稠度及润滑度增加部分水及原浆，增强钻孔的抗挤压能力，避免对主楼桩基产生不利影响。回填料粘稠度需合理控制，过稠或过稀均不行。过稠时，注浆泵不能顺利从搅拌机吸到填料，可能造成注浆管堵塞，注浆过程断断续续，更不利于回填密实；过稀时，由于密度过小，不能快速沉至孔底，达不到自下而上的封井作用。表1为施工3个阶段使用的主要设备。图5、6为回填时使用的搅拌机和灌浆泵。图5 搅拌机 图6 灌浆泵表1 地埋管换热器施工使用的主要设备表序号设备名称规格单位数量备注1龙门钻架H=4.0m组12钻 机N=7.5kw，380V台13卷 扬 机N=7.5kw，380V台14泥 浆 泵N=7.5kw，380V台25灌 浆 泵N=5.5kw，380V台16搅 拌 机N=3.0kw，380V台17电动试压机N=3.0kw，220V台18钻 杆2.7m/根 =80mm根604、测试设备的连接及调试测试设备连接时，时时处处都注意了降低或避免因连接不当而造成的测量误差。比如：设备尽量接近试验井，以减少裸露在空气中管材的长度；将裸露在空气中的管材敷以25mm厚橡塑保温材料；将管道尽量多的置于防雨棚内，避免因保温外侧遭受雨水冲刷而造成不利散热；上述原因造成的散热均会导致测试数据偏大，致使设计错误。另外选用电压相对稳定的电源，保证设备工作稳定等也很重要。 设备连接完成后，复检接线，确认正确后开机调试。调试过程主要是排除系统空气，确保水泵、温度传感器、流量计、电加热器能够正常工作。表2为测试时主要设备表。表2 测试时使用的主要设备表序号设备名称规格单位数量备注1电加热器N=1kw组1手动分级控制启停N=2kw组1N=3kw组22电磁流量计LD-15台13调速水泵UPS25-80最大扬程8m台14温度传感器PT1000个2测量精度0.25电源稳压器-根606微处理器EPSON型台1（三） 项目试验的进度北京金万众空调制冷设备有限责任公司于2010年8月5日至2010年8月17日在工地现场组织进行了钻孔试验及地埋管换热器竖直换热管换热能力测试。表3为试验井施工测试时间进度表。表3 试验井施工及测试时间进度表时间阶段井号567891011121314151617钻孔1#井2#井试压下管1#井2#井回填1#井2#井测试1#井2#井五、 项目测试数据及分析（一） 测试原理介绍5本次测试利用热反应实验法，采用北京工业大学热泵工程中心设计并监制的电加热式热物性测试设备。该套设备由电加热器、循环水泵、流量控制阀、循环管道、电磁流量变送器、数据采集设备组成，表2为主要设备表。电加热式热物性测试仪是通过向地下输入恒定的热量，进而监测土壤的温度响应来计算土壤热物性。工作原理是：流体经过电加热器加热后，被送入到地下，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介质传向土壤，从地下再次回到测试仪中的流体的温度低于进入地下时的温度，管壁周围土壤由于得到来自流体的热量而温度升高（这也就是地下土壤的温度响应），最终达到一个稳态的平衡。整个过程中数据自动采集系统每十分钟自动记录地埋管换热器进、出口的温度、水的流量及加热功率，然后经过数据的分析及计算后，得出土壤的热物性参数及地埋管换热器的换热能力。图7即为电加热式热物性测试仪测试原理图。图7 电加热式热物性测试仪测试原理图（二） 测试相关数据整理整个试验过程取得的资料或数据分为地层相关资料、换热能力测试数据两大部分，其中换热能力测试取得的数据包括地埋管换热器的流量、地埋管换热器进水温度、地埋管换热器出水温度、电加热器功率。图8为1号井0-150m地层类型及深度分布图，2号井与1号井距离很近，地层类型及深度分布与1号井基本相同。换热能力测试数据详见附表（二）、附表（三）。图8 1号井地层类型及深度分布图（三） 测试管道承压分析一般竖直埋管工作压力按下式6进行计算F=H1+H2+H3式中：F-竖直埋管最低端工作压力（m）；H1-水泵扬程（m）；H2-为定压水箱液面至地面高差（m）；H3-为考虑到地下水对管道的径向压力抵消了一部分管道中水对管壁的向外径向压力（m）。当地下水稳定水位高于地埋管换热器下端时，H3为地下水稳定水温深度（m）；当地下水稳定水位低于地埋管换热器下端时，H3为地埋管埋深（m）。本项目所在地枯水期地下水位为地面以下约40m，钻孔深度为150m， 因此本测试采用PE100的PE管材（公称压力1.6Mpa）作为试验井能够满足 强度要求。图9为U型接头处受力示意图。 图9 U型接头处受力示意图（四） 测试数据分析根据测试的数据信息，结合项目特征及用途，本次测试的协助单位北京工业大学热泵工程中心利用地源热泵无限长线热源模型理论12通过模拟，分别进行了土壤平均导热系数及单位孔深换热能力计算。1、 地埋管换热器周围土壤平均导热系数模拟计算（1）土壤平均导热系数计算原理介绍地埋管换热器换热能力测试的数据分析是以地源热泵无限长线热源模型理论12为依据。该理论可简述为：假设输入的热量恒定，流体平均温度与时间对数存在一个函数关系，即： 式（1）该式可以简化后 式（2）式中： 流体温度与时间对数曲线线性回归线的斜率；A常数。从式（2）可以看到，流体平均温度Tf与时间对数ln（t）存在的函数关系为线性关系。通过本次测试得到土壤的热响应数据，使用ORIGIN专业绘图软件进行曲线拟合，得出水温与时间对数的二维曲线图，该图符合式（2）所述的线性关系，同时该曲线的斜率即式（2）中的K值也就可以从函数图中得出。从而依据式（3）得到土壤的平均导热系数 式（3）根据计算的土壤平均导热系数反过来模拟测试井平均水温，并与实测水温对比，发现模拟水温随时间的变化与实测水温随时间的变化基本一致，从而验证了土壤的平均导热系数计算的准确性。（2）土壤平均导热系数计算结果附图（一）为1号测试井温度与时间对数的拟合曲线图、1号测试井测试井实测水温与模拟水温对比图。附图（二）为2号测试井温度与时间对数的拟合曲线图、2号测试井测试井实测水温与模拟水温对比图。从附图一、二中可以看出，循环水温度与时间对数的变化基本成线性关系。根据拟合结果，模拟温度随时间的变化也与实测温度基本一致，因此使用线热源理论的计算结果与实际情况基本相符。根据测试井温度的拟合曲线，得出K值，利用式-3得出土壤的平均热导率。表4、表5为1号井、2号井土壤平均导热系数计算结果表。表4 1号井土壤平均导热系数计算结果序号项 目内容1地埋管类型竖直地埋管2换热器材料PE1003换热器形式32双U型管4埋管深度150m5回填料种类水泥砂浆6测试时间58小时7循环水平均流量1.02m3/h8平均加热功率5070W9土壤平均导热系数1.55W/(m)表5 2号井土壤平均导热系数计算结果序号项 目内容1地埋管类型竖直地埋管2换热器材料PE1003换热器形式32单U型管4埋管深度150m5回填料种类水泥砂浆6测试时间63小时7循环水平均流量0.79m3/h8平均加热功率5270W9土壤平均导热系数1.56W/(m)2、地埋管换热器单位孔深换热能力模拟计算方法单位孔深换热能力是指标概算法估算地埋管数量、造价、用地面积等的主要依据，是实际工程设计中习惯采用的一个重要数据，而土壤导热系数则采用较少。地埋管换热器单位孔深换热能力的计算要考虑到在实际运行中，随着末端负荷的变化，地埋管换热量是处于变化之中的，因此必须考虑建筑物负荷变化及热量（冷量）累积情况，才能得到更为准确的数值。在本项目中，末端功能按商业、写字楼考虑，地源热泵空调间歇运行。表6为单位孔深换热量计算的参考负荷表。表6 单位孔深换热量计算的参考负荷表季节时 间负荷情况冬季第一个月8：0018：0060满负荷第一个月18：008：0020满负荷第二个月8：0018：0090满负荷第二个月18：008：0030满负荷第三个月8：0018：0090满负荷第三个月18：008：0030满负荷第四个月8：0018：0060满负荷第四个月18：008：0020满负荷夏季第一个月8：0018：0050满负荷第一个月18：008：0010满负荷第二个月8：0018：0080满负荷第二个月18：008：0020满负荷第三个月8：0018：0090满负荷第三个月18：008：0020满负荷第四个月8：0018：0050满负荷第四个月18：008：0010满负荷注：表中为月平均负荷将1#、2#井测试结果表中各项参数及条件作为计算的已知值输入FLUENT程序，模拟计算冬夏季地埋管的进水温度。计算程序钻井内部采用准三维模型，钻井外部采用柱热源G函数模型。首先假定单位孔深满负荷运行时的换热量，带入程序试算，若计算结果中冬季地埋管最低进水温度低于4，或夏季最高进水温度高于35，需要改变满负荷换热量数值从新计算，直到满足夏季地埋管进水温度不高于35，冬季地埋管进水温度不低于4为止。表7为1、2号井单井换热能力计算表。表7 1、2号井单位孔深冬夏季换热能力计算表1号井2号井计算条件井结构参数双U 深度150mPE100 32mm单U 深度150m PE10032mm1、夏季地埋管进水温度不高于35；冬季地埋管进水温度不低于4。2、夏季运行时间为120天，冬季运行时间为120天。夏季单位孔深换热能力（W/m）5548冬季单位孔深换热能力（W/m）40353、地埋管换热器换热能力测试数据综合表8为1、2号井测试综合数据表。根据表6数据显示，该地区土壤平均设计温度为17.5，夏季双U竖直埋管换热器单位孔深换热能力仅比单U高14.6%，冬季双U竖直埋管换热器单位孔深换热能力比单U高14.6%，这是由于测试时双U竖直埋管换热器管内介质流速比单管小造成的，若管内流速达到单U竖直埋管换热器管的水平，那么双U竖直埋管换热器单位孔深换热能力会稍高于表中测试数据。另外，双U竖直埋管换热器夏季单位孔深换热能力比冬季高37.5%，单U竖直埋管换热器夏季单位孔深换热能力比冬季高37.1%。 这是由于一般的埋管换热器管内介质为水，水存在冰点冻结的限制，导致冬季埋管换热器的可利用换热温差较夏季小。比如：冬季热泵机组进出水温度7/4，平均温度5.5，与土壤原始温差约为12；而夏季热泵机组进出水温度38/35，该温差约为19 。表8 1、2号井测试综合数据表试验井编号1号井2号井垂直埋管段垂直埋形式双U单U垂直深度（m）150150垂直管总长度（m）600300钻孔直径（m m）180-200180-200下管方法自然下管+人工顶管自然下管+人工顶管管卡每3m设一个每3m设一个回填材料水泥砂浆（1：6）+砂+原浆水泥砂浆（1：6）+砂+原浆回填方法采用灌浆泵自下而上灌浆，分次回填采用灌浆泵自下而上灌浆，分次回填PE管外径（mm）3232内径（mm）2626公称压力（MPa）1.61.6生产厂家沧州明珠沧州明珠现场试验压力（MPa）管材位于地面1.51.5下管完成后0.80.8测试连接管与测试设备距离23连接管长度86测试时间（h）58 63土壤的平均设计温度（）17.517.5循环水平均流量（ m3/h）1.020.79m3/h竖直埋管平均流速 （m/s）0.270.41平均加热功率（ W）50705270土壤导热系数W/(mK)1.551.56夏季单位孔深换热能力（W/m）5548冬季单位孔深换热能力（W/m）4035注：1、 夏季地埋管进水温度（即热泵机组出水温度）不高于35；冬季地埋管进水温度（即热泵机组出水温度）不低于4。2、 夏季运行时间为120天，冬季运行时间为120天。（五） 群井换热的定性分析在地源热泵空调系统的工程设计中，一般不会出现少量几个双U或单U竖直埋管换热器就能满足建筑制冷、采暖的需求，往往需要多个双U或单U竖直埋管换热器并结合场地情况以一定形状群井排列，形成一个很大的地埋管换热器才能满足。群井传热过程中，每个地埋管周围土壤的温度场受地埋管布置及传热负荷等因素的影响不断变化，同时变化的温度场反过来影响地埋管的换热能力，从而影响整个地埋管换热器乃至整个地源热泵空调系统的性能。为此，基于上述地埋管传热模型，通过对多热源群井夏季工况土壤温度场分布的数值模拟，分别介绍导热机制及渗流机制下群井换热的特性。（1） 导热机制下群井换热的特性图9为导热机制下群井工作100h土壤截面温度分布模型，图11为导热机制下群井工作500h土壤截面温度分布模型。由图910可知，在土壤热物性参数认定为各向同性的情况下，传热初 期的地埋管排热是以均匀的热流呈辐射状向四周扩散，土壤中以单个地埋管为中心的圆周上各点温度相同，距地埋管中心位置越近的土壤温度就越高。随着地埋管传热时间的延长，周围土壤温度逐步上升，传热作用的范围也逐渐扩大，使传热过程的热阻增大，传热温差 图9 导热机制下群井工作100h减小。工作时间从100h持续到500h， 土壤截面温度分布地埋管换热器周围土壤的等温度线不再表现出圆形的特征，呈现相互影响的特征，其形状随着周围钻井热源的数量及位置的变化而变化。如果某一眼钻井周围钻井的数目越少，该钻井的四周土壤温度增加幅度就越小，在某一方向上减小钻井数目或加大钻井间距，该方向的同一等温度线就向内聚集，温度梯度就大，传热温差也越大，传热效果就越好。主要原因为：随着工作时间的延长，单个地埋管换热器周围土壤堆积的热量越来越多，此时四周钻井也向土壤中排热，导致钻井之间的传热干扰、土壤温度升高而无处排放，使得多个地埋管换热器的传热温差越来越小，传热情况恶化，换热量越来越小。在实际工程中，若地埋管布置不合理或地埋管数量过小，就会导致夏季地埋管换热器出水温度越来越高， 图10 导热机制下群井工作500h直到机组因进水温度过高而保护停机 土壤截面温度分布无法运转；冬季地埋管换热器出水温度越来越低，直到机组因进水温度过低而保护停机无法运转，甚至导致冻结事故的发生。因此，对于大规模群井，在钻井用地允许的条件下，宜增加钻井间距，也可选择不同形状的钻井排列，如长方形L形，以减小钻井之间的干扰。在有限的钻井区域，采用方形群井排列比采用菱形在相同的用地面积上能配置数量更多的钻井，可保证地埋管换热器持续稳定高效运行。（2） 渗流传热机制图11为渗流传热机制下顺排排列群井工作100h土壤截面温度分布模型，图12为渗流传热机制下顺排排列群井工作500h土壤截面温度分布模型。图13为渗流传热机制下叉排排列群井工作500土壤截面温度分布模型。11 渗流传热机制下顺排排列群井工作 100h土壤截面温度分布 12渗流传热机制下顺排排列群井工作 图13为渗流传热机制下叉排排列群井 500h土壤截面温度分布 工作500土壤截面温度分布由图1113可知，渗流传热图机制下，地埋管换热器的传热也具明显的瞬态特征。由于渗流具有方向性，敷设于流动区域中的地埋管周围土壤的温度变化呈明显的方向性。在渗流流动方向上游，地埋管周围土壤温度变化呈现明显的方向性。在渗流流动方向上游，地埋管周围土壤温度变化范围和图温度增量极小。在渗流方向下游，土壤温度变化幅度较大，传热的影响范围也比导热机制增大很多，这说明地下水的流动抑制向下游传热，增强向下游传热。与渗流流动方向垂直的温度变化很小，传热作用范围也比导热机制小，这说明在相同传热条件下，该方向上钻井之间的距离可适当减小。在传热初期，各钻井之间的干扰很弱，甚至没有，在两种排列方式下各钻井周围土壤温度分布差别很小。当工作时间从100h延长到500h后，钻井之间的干扰增强，两种排列方式下的钻井周围土壤的温度分布有较大的差别。在顺流方式下，下游的钻井完全是位于上游钻井的传热作用范围内，其周围土壤温度分布受其他钻井的影响很大，传热能力较上游钻井有较大的降低。与渗流方向垂直距离相同的钻井数目越多，最下游的钻井的传热能力将极度下降，甚至无传热能力可言。在叉排方式下，钻井以菱形配置，使得平行与渗流方向上交错分开，即使在同一平行线上的钻井之间的距离也较大，可消弱上游钻井的影响程度，有利于地埋管换热器的换热。 对地下水含量丰富且流动较剧烈地区进行土壤源热泵系统设计时，若钻井区域较大，则尽量沿垂直与渗流方向排列钻井有利于传热；若钻井区域较小，应该尽量在保证间距的情况下错开排列钻井有利于换热。通过对导热机制及渗流机制下群井换热的特性分析，可以看出群井换热能力不是组成群井的每个单井换热能力的简单相加，而是随着使用时间的累加逐渐小于每个单井换热能力之和，是有折减的，因此在工程设计时必须考虑到土壤的热量（或冷量）聚集对群井换热特性的影响及群井换热与单井的区别。六、 项目测试结论通过本次地埋管换热器的钻孔、安装及换热能力的测试，了解了项目所在地0-150m的深度内的地层类型分布，得到了地埋管换热器土壤热物性参数土壤原始温度、土壤的热导率，并通过计算得到了单U及双U竖直地埋管换热器在夏季和冬季的单位孔深换热能力，为项目空调系统设计提供了可靠的原始数据。表6位为本次测试结果表。表6 测试结果数据表试验井编号1号井2号井埋管形式竖直双U竖直单U土壤的设计平均温度（）17.517.5土壤导热系数W/(mK)1.551.56夏季单位孔深换热能力（W/m）5548冬季单位孔深换热能力（W/m）4035注：1、夏季地埋管进水温度（即热泵机组出水温度）不高于35；冬季地埋管进水温度（即热泵机组出水温度）不低于4。2、夏季运行时间为120天，冬季运行时间为120天。根据以上结论及分析，对本项目地源热泵空调系统设计时有以下建议：（1） 地埋管换热器布置时尽量按叉排考虑，沿垂直与渗流方向排列钻井；（2） 尽量拉大地埋管换热器钻井间距；（3） 充分考虑群井换热时每个单井换热能力的折减。从本次测试中单井单 位孔深换热能力的计算方法中可以看出，单井换热能力数据已在计算中已考虑了土壤热量（或冷量）累积对单井换热能力的影响。参考文献：1 地源热泵系统工程技术规范GB50366-20052 徐伟 译 地源热泵工程技术指南3 Sarah Signorelli,Simone Bassetti.Numerical evaluation of thermal response tests.Geothermics.2007,36:141166.4 P.Roth,A.Georgiev.First in situ determination of ground and borehole thermal properties in Latin America.Renewable Energy.2004,29:19471963.5 北京工业大学编 地埋管换热器土壤热物性测试报告6 张燕立 张新发、由世俊 土壤源热泵空调工程的设计与施工7 胡平放 孙启明 等 地源热泵地埋管换热量与岩土热物性的测试8 於仲义 胡平放等 土壤源热泵地埋管换热器传热机制研究附表一 部分土壤热物性参数测试项目列表序号工程名称建筑规模测试井型式时间1北京玫瑰园668别墅地源热泵项目500032单U型管深度100m2007-12浙江省宁波市新建东部行政区桩基埋管项目5000032双U型管深度40m63m2007-53浙江省宁波市鄞州麒麟阁商业住宅区地源热泵项目1000032单U型管深度75m2007-94中铝置业天津滨海湖大酒店地源热泵项目5000025双U型管深度120m2008-65唐山税中平改楼地源热泵项目10000025双U型管深度50m2008-66天津蓟县许家台社会主义新农村建设工程地源热泵项目3000032双U型管深度100m2008-107天津武清区建国南路44号地源热泵项目12000032双U型管深度130m2010-18天津武清后蒲棒湿地地源热泵项目2000032双U型管深度150m2010-19天津雍景花园地源热泵项目3000032双U型管深度120m2010-4 附表二 1号井实测数据表时间（分）地埋管换热器出口温度地埋管换器进口温度时间（分）地埋管换热器出口温度地埋管换器进口温度017.517.443423.427.7117.521.244423.527.8317.521.545423.527.81617.822.146423.627.97419.924.147423.627.98420.124.448423.72810420.524.649423.727.912420.824.950423.8281342125.151423.827.915421.225.652423.828.116421.325.753423.82817421.525.754423.928.118421.625.855423.928.419421.72656423.928.120421.9265742428.221421.926.25842428.32242226.35942428.323422.126.460424.128.32442226.661424.128.325422.226.562424.228.426422.326.663424.228.527422.526.764424.228.528422.626.765424.328.629422.526.966424.328.730422.626.967424.328.631422.926.968424.428.532422.727.169424.428.33342327.270424.328.33442327.271424.328.43542327.272424.328.63642327.273424.328.437423.127.574424.428.638423.227.475424.428.439423.127.576424.428.440423.327.777424.428.441423.327.678424.428.442423.427.779424.428.5测试时间：2010-8-11至 2010-8-14 测试人：王 刚 测试负责人：秦晓三时间（分）地埋管换热器出口温度地埋管换器进口温度时间（分）地埋管换热器出口温度地埋管换器进口温度80424.428.5117424.828.881424.428.4118424.828.782424.428.5119424.828.883424.428.4120424.828.684424.428.2121424.828.685424.428.2122424.828.786424.428.6123424.828.787424.428.3124424.82988424.428.4125424.828.989424.528.3126424.928.890424.528.5127424.928.891424.528.3128424.928.992424.528.4129424.92993424.528.3130424.92994424.528.6131424.928.795424.528.61324252996424.528.613342528.997424.628.61344252998424.628.613542529.199424.628.613642529.1100424.628.813742529.1101424.628.913842529.2102424.728.913942529.2103424.728.7140425.129.2104424.728.6141425.129.3105424.728.6142425.129.3106424.728.6143425.129.4107424.728.7144425.129.5108424.728.6145425.129.3109424.728.6146425.229.4110424.728.6147425.229.4111424.728.6148425.229.3112424.728.8149425.229.6113424.828.9150425.229.5114424.828.9151425.229.7115424.828.9152425.329.8116424.828.8153425.329.8测试时间：2010-8-11至 2010-8-14 测试人：王 刚 测试负责人：秦晓三时间（分）地埋管换热器出口温度地埋管换器进口温度时间（分）地埋管换热器出口温度