地源热泵系统勘察和监测现状与新技术

1、地源热泵系统勘察和监测地源热泵系统勘察和监测 现状与新技术现状与新技术 毕文明+86B 北京华清荣昊新能源开发有限责任公司北京华清荣昊新能源开发有限责任公司 华清简介 华清集团创建于1997年，其前身是北京市地质勘察技术院，具有几 十年的地质、水文勘查施工经验，掌握北京市的区域水文地质资料。北 京华清荣昊新能源开发有限责任公司是华清集团旗下的专业化独立法人 公司，主要致力于新能源的开发、利用和推广，包括深层和浅层地热的 综合利用、地源热泵技术的市场开发、系统设计及工程施工等。 随着地源热泵技术应用的迅速增加，前期勘察和后期监测、检测技 术逐

2、渐受到重视。在GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范2009 版中增加了大量的前期勘察测试的强制执行条款。我公司也根据多年的 工程经验开发了一系列前期勘察和后期监测、检测设备，并投入到实际 工程应用。 勘察与监测内容 地源热泵系统 地下 地上 前期勘察测试：地层可钻性（岩性）勘察 地埋管换热器换热测试 （岩土体热物性测试） 后期监测：地质环境监测（地质体温度） 机房 热力参数：温度、流量、压力 电力参数：电压、电流、功率等 室内：热、湿环境 （后期监测） 前期勘察、测试 前期勘察、测试的内容包括地质条件勘查和地埋管换热器换热测 试（热响应或岩土体热物性测试）。 地质条件勘查的目的是查

3、明项目地的地质条 件，确定地层岩性和可钻性以及施工成本。 地埋管换热器换热能力测试的目的是确定项目 地的岩土体热物性参数以及在确定施工条件和 设计方案下的地埋管换热器的换热特性。 地质勘查 取样分析 区域调查 地球物理测井 电阻率测井仪 常用的测井 方法有电阻率、 自然伽马、自然 电位测井等。电 阻率法测井是根 据岩石导电能力 的差异，在钻孔 中研究岩层性质 和区分它们的一 套测井方法。 电阻率测井 工作时，电极系的A、B电极供电，M、N电极测量电位差，最 后根据计算结果绘出与岩层电阻率有关的s曲线。 电 池 箱 测井仪 主机 1 2 3 4 手动绞车 电缆接头 电极3（A） 电极2（M） 电

4、极1（N） 重锤 B极牢固插入泥浆坑或 井口其他位置 电阻率测井 电阻率测井 测 井 解 释 （m） 深 度 地 层 时 代 岩 性 层 底 深 度 （m） 视 电 阻 率 法 测 井 曲 线 A1.0 M0.10N 层 厚 （m） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (.M） 20406080100 岩 性 剖 面 第 四 系 1030507090 粉砂 粉细砂 细砂 粉砂 粉细砂 4010粉砂 302 283 252 423 219 17 422粉细砂 453粉砂 494粉细砂 522粉细砂 608粉砂 666细砂 704粉细砂 755粗砂含砾 816粉砂 898

5、粉细砂 923粉砂 953细砂 1016粉砂 粘土 粉砂501 17 测试方法 1 稳定热流模拟试验 也称为“热响应测试”或 “岩土热物性测试”，采 用电加热器（或制冷机） 提供稳定热量（或冷量）， 记录地埋管换热器的温度 响应情况，并利用模型计 算岩土体热物性参数，进 而设计地埋管换热器。 2 稳定工况模拟试验 也称为“冷、热响应测 试”，采用风冷热泵建立 稳定的地埋管换热器运行 工况，可计算岩土体热物 性参数，并直观获得地埋 管换热器每延米换热量， 也用于计算地埋管换热器 的综合传热系数。 测试方法 优点： 1）测试设备结构简单； 2）相关理论研究成果多，理论依据充分； 缺点： 1）传热模

6、型存在适用性问题，假设条件与实际地质情况差距较大； 2）需要多次模型计算，增加误差累计； 3）计算具有较强专业性，从业单位掌握程度参差不齐。 测试方法 优点： 1）测试结果直观； 2）设计结果可校核； 缺点： 1）相关理论研究成果较少，忽略管井间热干扰和非稳态传热因素； 2）测试设备复杂。 通过分析稳定工况的试验数据，可以计算出单位长度地埋管换热 器平均传热系数 ，在数值上，它等于单位长度地埋管换热器的换热量 与地埋管换热器进出水平均温度和岩土的初始温度的差值的比值，单位 为W/mK。该参数是综合反映地埋管换热器施工条件、管材、岩土热物 性、运行工况等众多因素的综合参数。 单位长度地埋管换热器

7、平均传热系数，W/（mK）； 特定工况下单位延米地埋管换热器的换热量，W/m； 地埋管换热器进出水平均温度，； 岩土的初始温度，； l k l l fff q k tt l k l q f t ff t 测试方法 降深 水位升高 H1 H2 Q1Q2 抽水试验一定降深的出水量Q1 一定水位升高的回灌量Q2回灌试验渗透系数 计算Q1、Q2 校核 水井设计依据 地 埋 管 换 热 器 Tff Tf Q1(TffTf) 取热试验 放热试验 岩土体导热系数 放热试验 一定工况（温差）岩 土体的取热能力Q1 取热试验 一定工况（温差）岩 土体的放热能力Q2 地埋管换热 器设计依据 地埋管换热 器设计依据

8、 一定工况（温差）岩 土体的放热能力Q2 取热试验 一定工况（温差）岩 土体的取热能力Q1 放热试验 计算Q1、Q2 校核 岩土体导热系数岩土体导热系数 校核 计算Q1、Q2 放热试验 一定工况（温差）岩 土体的取热能力Q1 取热试验 一定工况（温差）岩 土体的放热能力Q2 地埋管换热 器设计依据 抽水试验一定降深的出水量Q1 一定水位升高的回灌量Q2回灌试验渗透系数 计算Q1、Q2 校核 水井设计依据 岩土体导热系数 校核 计算Q1、Q2 放热试验 一定工况（温差）岩 土体的取热能力Q1 取热试验 一定工况（温差）岩 土体的放热能力Q2 地埋管换热 器设计依据 岩土体导热系数 校核 计算Q1

9、、Q2 放热试验 一定工况（温差）岩 土体的取热能力Q1 取热试验 一定工况（温差）岩 土体的放热能力Q2 地埋管换热 器设计依据 现状 1）资质 对从事勘察测试工作的单位、从业人员以及测试设备没有资质要 求； 2）理论理解（暖通和地质） 从业单位背景复杂，对相关理论的理解程度差异较大。 3）建筑逐时负荷 设计单位不提供或建设方不愿出钱进行逐时负荷计算。 4）测试设备 测试设备质量参差不齐，无论从测试精度还是测试过程的控制都 无法达到或满足要求。 目前国内对地埋管换热器换热测试设备没有统一的规定，名称也各 不相同，常见的有： 冷、热响应测试仪（北京华清荣昊） 土壤热物性测试仪（建研院空调所）

10、岩土热物性测试仪（山东建工） 热响应测试仪（天大、河北工大等） 浅层岩土体热物理性能原位测试仪（吉大） 其它（北京地质大学、同济、北工大等） 测试设备 瑞典瑞典挪威挪威土耳其土耳其 加拿大加拿大 德国德国 美国美国英国英国美国美国 美国美国 欧美等国研制的 各种热响应测试仪 建建 研研 院院 吉大中航吉大中航 河河 北北 工工 大大 国内研制 的各种热响 应测试仪 华中科大华中科大山东建工山东建工天津地热院天津地热院 前期勘查、测试 冷、热响应测试仪 1）便携式 2）柜式 3）拖车式 4）车载式 5）定制 测试车功能 间歇运行试验间歇运行试验 岩土体平均初始岩土体平均初始 温度测试温度测试 稳

11、定热流模拟测试稳定热流模拟测试 地层温度恢复测地层温度恢复测 试试 稳定工况模拟测试稳定工况模拟测试 多孔联合试验及多孔联合试验及 热干扰试验热干扰试验 全自动无人值守密全自动无人值守密 码保护和报警功能码保护和报警功能 测试车原理排热 空气源热泵电加热器 水箱 G 水表流量计 单向阀 水泵 PTT PT 夏季工况 测 试 系 统 地 埋 管 换 热 器 排热 空气源热泵电加热器 水箱 G 水表流量计 单向阀 水泵 PTT PT 冬季工况 测 试 系 统 地 埋 管 换 热 器 测试车原理取热 取热 初温 在众多的设计参数之中，被认为最容易测定也是最容易被忽略的就是 岩土初始平均温度。众所周知

12、，温差是热量传递的驱动。对于地源热泵 的地埋管换热系统，地埋管换热器的平均温度与岩土平均温度的温差是 热量传递的驱动力。因此，做好岩土初始平均温度的测定工作对于地埋 管换热器的设计非常重要。 规范规定，岩体初始平均温度的测试应 采用布置温度传感器的方法。测点的布置宜在地埋管换热器埋设深度范 围内，且间隔不宜大于10m；以各测点实测温度的算术平均值作为岩土初 始平均温度。 我公司根据开发的浅层地温能热（冷）响应测试仪的特点，在实际的 现场试验中总结出三种方法，分别是无功循环法、地埋管水温平衡法和 垂向布置温度传感器法。 初温 方法无功循环法地埋管水温平衡法 垂向布置温度传 感器法 实测平均温度

13、（） 16.916.74916.729 优点 操作简单，数据 分析简单 可获得不同深度地 层温度，测试时间 短 测量准确，可获 得不同深度地层 温度 缺点 只能获得平均温 度 数据分析复杂，须 与地层建立热平衡 操作复杂，须与 地层建立热平衡 稳定热流模拟试验 0 2 4 ln 4 fb qa Ttq RT r 线源 模型 ln f Ttktm 4 q k 稳定工况模拟试验 稳定工况测试（夏季）曲线稳定工况（夏季）连续+间歇运行测试曲线 稳定工况测试（冬季）曲线稳定热流+稳定工况（夏季）测试曲线 温度恢复 夏季地层温度恢复测试 冬季地层温度恢复测试 地源热泵系统监测 地质环境监测的内容很多，对

14、于地埋管地源热泵系统主要 监测地质体的温度，包括项目上游、下游、中心区域不同 深度地层温度的变化。 机房运行参数监测内容包括空调侧和地源侧进、出水温度 、流量；水泵和热泵机组的进、出口压力；水泵和热泵机 组的电力参数。 室内环境监测主要是室内的热湿环境。 地源热泵系统监测 地质环境监测 地质体温度的变化对于地埋管地源热泵系统的运行效果和效率影响 很大，若地质体温度持续逐年升高且超出一定范围，则系统的夏季运 行效率将逐年降低，系统无法实现节能运行，直至无法满足使用要求， 反之若地质体温度持续逐年降低且超出一定范围，则系统的冬季运行 效率将逐年降低，直至无法运行。另外，地质体温度异常波动对岩土 体

15、含水率等理化特性、地下水流动状态、地下水水质等产生不同程度 的影响。因此通过地质环境监测，进而调整系统方案和运行方式对于 地埋管地源热泵系统的高效、节能运行具有重要意义。 地源热泵系统监测 为了提高地质环境监测的准确性和可靠性，除了选用高精度、高 品质的传感器外，还需要注意以下几点： 1.铂电阻选用Pt1000铂电阻； 2.铂电阻接线方式采用三线制或四线制； 3.铂电阻与信号线的接头处需进行防机械损伤处理； 4.铂电阻与信号线的接头处需进行防渗漏处理； 5.需对信号线进行保护。 地源热泵系统监测 地源热泵系统的主要运行参数包括流量、温度、压力、电力等， 这些参数对于地源热泵系统的问题排查、运行

16、操作调整、系统改进以 及系统综合能效评价至关重要。然而绝大多数地源热泵项目在安装过 程中没有预留各参数的监测接口，这使得系统运行参数监测变得困难。 针对该情况，我公司开发了“地源热泵系统运行参数监测仪”， 能够在不改变系统管路和电器线路的情况下实时监测地源热泵系统运 行参数。 地源热泵系统监测 地源热泵系统运行参数监测能够为地源热泵系统问题（或故障） 排查、运行操作调整、系统改进、系统综合能效评价提供服务。 1.通过监测水泵的运行参数可以确定水泵的运行工况点，对比水泵的 特性曲线可判断水泵选型是否匹配； 2.通过监测热泵机组的运行参数可以测定热泵机组的效率、热泵机组 选型是否合适以及热泵机组与

17、地埋管换热器是否匹配； 3.通过监测地源热泵系统参数，并对数据加以分析，能够发现系统操 作存在的问题以及系统设计的问题，通过调整操作方案和系统改进能 够提升地源热泵系统的效率和效果。 地源热泵系统监测 地源热泵系统监测 在运行地源热泵系统运行参数监测仪界面 地源热泵系统监测 将府监测 新技术地埋管换热器设计 结合FlowHeat和水源热泵机 组运行特性开发一款地源热 泵系统设计软件。 新技术地埋管换热器设计 新技术地埋管换热器设计 岩土热物性 地层岩性 地下水参数 数值方法 PE管 新技术地质体建模 一、建模对象主要包括： 1. 地层岩性 电阻率测井等物探方法 2. 地下水参数地下水参数 抽水试验、水文物探方法、 地 下水流速流向仪 二、建模软件： FeoFlow、GMS、Surfer、 Gis等 新技术分层测试 总结 地源热