×××××××××公司地埋管地源热泵系统岩土热响应试验及评价报告 2

1、公司地埋管地源热泵岩土热响应试验及评价报告年月日目 录1. 工程概况32. 试验测试目的33. 场地气象条件、测试孔及地层条件简介44. 现场使用的岩土热物性测试仪器及测试方法简介54.1岩土热物性测试仪简介54.2测试过程简介74.3测试理论85. 土壤的初始平均温度的测定106岩土比热容计算117. 测试孔测试结果分析117.1 供电电压、循环液流流量、压力损失与加热时间的关系曲线117.2 载热流体温度与加热时间的关系曲线137.3测试孔土壤平均热传导系数的确定137.4测试孔钻孔热阻的计算148. 场地浅层地热能换热量预测159. 结论和建议1710. 勘察资质证书和仪器校正证书18公

2、司地埋管地源热泵岩土热响应试验及评价报告1. 工程概况拟建项目位于，主要由加工车间和办公楼组成，总建筑面积平方米，拟采用节能环保的地埋管地源热泵供热与制冷。在进行地埋管地源热泵空调系统设计前在现场布设了一眼地埋管现场热响应试验钻孔，钻孔直径为150mm，深度为100m，埋设了Dn32单U形PE管，（勘测单位）对地埋管试验孔进行了现场热响应试验。2. 试验测试目的 （1）通过试成孔和埋管，获得施工场地的地层分布知识，寻求合适的施工方法。 （2）通过现场测试及室内分析，提供满足设计施工所需的场地岩土热物性参数，确定岩土层换热能力，预测浅层地热能换热量。 （3）根据工程场区初始地温测试结果，综合考虑

3、场区地形地貌、地层结构、地质构造等因素，给出建议地层平均初始温度。 （4）根据工程场区勘查测试成果，评价场区浅层地温资源状况。 （5）指出施工中和系统运行后应注意的事项。3. 场地气象条件、测试孔及地层条件简介山西省市属暖温带大陆性半干旱半湿润气候，多年平均气温为10.7，多年平均降水量为493.9mm，多年平均蒸发量为1808.9mm，多年平均风速为2.8m/s，主导风向为北及西北风，最大风速达17m/s，标准冻土深度为0.74m。拟建场区地貌属山前冲洪积倾斜平原区。自然地形北高南低，最大高差7.57m，现场地已平整。根据热响应试验孔钻探揭露，场地地层情况见图1。插入图片图1.试验孔钻孔柱状

4、图4. 现场使用的岩土热物性测试仪器及测试方法简介4.1岩土热物性测试仪简介 采用（勘测单位）型地埋管岩土热响应测试仪，其原理图见图2。测试仪由以下部分组成：膨胀补水排气水箱、循环水泵、流量控制阀4、流量传感器、电加热器、进孔温度传感器、三通接头、回水温度传感器、阀门组、供电及数据采集系统等。该仪器主要有如下特点：1）采用三相四线制供电方式当采用单相220V供电时，如果加热功率太大，电缆中的电流就会很大，会造成工地供电线路中的负荷不平衡，容易造成跳闸现象，既影响测试工作的连续性，又影响其它设备的正常工作。而工地上一般有三相电源，采用三相电源时，同样的加热功率，每相电流值只有单相供电的1/3。

5、2）采用Y型连接的电阻丝加热方式 用特制的三相电阻丝加热器加热，三相电阻丝连接成Y型，当线电压为220V时，每一相两端施加的电压仍为220V。 3）加热功率可调 当三相电源线电压为380V时，加热器三档加热功率分别为3kW、6kW和9 kW，通过空气开关可自由调节。 当昼夜电压变化幅度10%时，通过可控硅固态调压器可实现恒功率加热。 4）采用自吸离心泵供水 采用单相电动机驱动的自吸式离心泵供水。离心泵的额定流量和扬程分别为3m3/h和40m，通过阀门调节能保证150m孔深范围内的HDPE De25、De32的单U和双U形管排气和测量对流量的要求。 5）流量可调 根据不同的埋管直径、方式和深度，

6、测试时，调节阀门4的开闭程度可将流量调节到所要求的流量值。6）流量采用精度等级为0.5级、带变送器的电磁流量计测量。7）给水与回水温度采用高精度DS18B20数字温度传感器测量。 8）加热功率采用精度等级为0.5级的三相有功功率传感器测量。 9）水泵功率采用精度等级为0.5级的单相有功功率传感器测量。10）测量数据可实时显示并可实时记录在U盘中。插入图片图2. GP-3岩土热物性测试仪工作原理图试验前对温度传感器进行矫正，以050的精密水银温度计为基准，误差小于0.1。试验前和试验后，对流量传感器采用体积法进行校正。设置不同的扬程值，并固定该值，将按泵送的水的体积除以泵送时间所得流量与仪器采集

7、流量进行对比，流量计的误差小于1%。4.2测试过程简介试验孔静置时间：当采用原浆+膨润土+砂完成测试孔回填后，应放置至少48h以上，再进行岩土热响应试验，其目的有两点：一是使回填料在钻孔内充分地沉淀密实，二是使钻孔内温度逐渐恢复至与周围岩土初始温度一致；当采用水泥作为回填材料时，由于水泥在水化过程中会出现缓慢放热，测试孔应放置足够长的时间（宜为十天），以保证测试孔内温度恢复至与周围岩土初始温度一致。本工程为钻孔原浆+砂回填，故完成钻孔下管和钻孔回填后48小时即可开始测试。本工程实际钻孔静置时间为4天。 管路连接：若为单U形管，直接将U型管的两个接头接入测试仪的进水接口和出水接口。若为双U形管，

8、则通过三通接头，将两根埋入钻孔之中的U形管并联接入测试仪的进水接口和回水接口之间。排气：关闭阀门1和阀门4，打开阀门2和阀门3，以最大的泵量排出仪器内部管道和U形管中的空气和杂质。地层平均初始温度测量：在不打开电加热器的情况下，关闭阀门3和阀门4，打开阀门1和阀门2，水不通过水箱，在管路中闭式循环半个小时以上，进孔温度传感器和回水温度传感器测出的温度平均值，即为埋管深度范围内地层原始温度平均值。正常测试：打开阀门1和2，关闭球阀3，调节阀门4将循环于U形管中的循环水流量调节到需要值，对于De32单U型管，循环水流量控制在1145L/h左右。打开加热器，加热48小时以上，U盘自动数据采集时间间隔

9、为5分钟，手工数据采集间隔为20分钟。 为减少热量损失，测试仪中所有管道，包括流量计、泵、加热器、温度传感器以及阀门等全部用壁厚20mm的橡塑管包裹，测试仪外壳内侧粘贴有橡塑板。连接测试仪与钻孔内U形管之间的水平管长度约1.5米，外套壁厚20mm的橡塑管保温。测试现场照片见图3。插入图片图3. 现场测试照片4.3测试理论1）线热源理论 采用线热源理论，假定钻孔周围土体传热为纯传导方式。土体为各向同性的均质体，当系统加热功率恒定时，载热流体平均温度可表示为：插入公式 （1）式中：载热流体的平均温度，； 加热试验时单位长度钻孔的加热量，W/m； 土壤初始温度，； 土壤热传导系数，W/(m)； 加热

10、时间，s； 钻孔半径，m； 钻孔热阻，/(W/m) 欧拉常数，0.5772； 热扩散率，m2/s；， 为土壤密度，kg/m3；为土壤的比热，J/(kg)；2）用线热源理论，通过试验求土壤的热传导系数 加热功率恒定时，（1）时可简写为：插入公式 （2）式中：插入说明（2）式表明，载热流体的平均温度与加热时间的自然对数成正比，故只需根据测试结果作出载热流体平均温度与时间对数的关系曲线（理论上为直线），确定该曲线的斜率，即可按下式求出土壤的热传导系数。插入公式 （3）3）用线热源理论，通过试验求钻孔热阻 测求出后，根据（2）式中（插入公式）得：插入公式 （4） 4）单位深度钻孔散热量和取热量计算换热

11、孔的换热量是与换热管内的流体特性、换热管的材料特性、周围土壤的土质、土壤的赋水情况、地下水是否流动、回填料的特性、土壤的原始温度和换热管内流体的温度等诸多因数有关，这些因素都直接影响着整个土壤换热器的换热能力，由于地下土壤结构及分布比较复杂，只有通过测出试验孔的综合传热系数后，再根据工程资料以及已知参数，进行详细计算。5. 土壤的初始平均温度的测定进行热响应测试前，首先对地埋管深度范围内土壤的初始平均温度进行测试，为地下换热器的设计提供参数。在测试之前，埋入钻孔中的U形管内已事先灌满了自来水，且已等待了4天以上，U形管中的水温与地温相互达到了平衡状态，但其温度随着深度的不同略有变化，土壤的初始

12、平均温度为钻孔埋管深度范围内土壤温度的平均值。测试时，将测试仪与钻孔中的U形管相连，开启循环泵，先排除管路连接时混入管路中的空气，然后在不开加热器的条件下维持水的循环，一直到循环管路中的水温趋于恒定，此温度即为地下换热器埋深范围内土壤的初始平均温度。1号测试孔土壤初始平均温度测试时水温随时间变化的关系曲线如图4所示。插入图片图4. 测试孔土壤初始温度测试时水温的时间响应曲线图 由图4可见，1号试验孔的土壤初始平均温度可取为。 6岩土比热容计算岩土比热容是根据岩土样的天然密度、含水量和干密度等岩土参数进行计算的，根据经验，场地埋管深度范围内土壤的平均比热容可取为2.65103 kJ/(m3K)。

13、7. 测试孔测试结果分析7.1 供电电压、循环液流流量、压力损失与加热时间的关系曲线完成了钻孔埋管土壤初始平均温度测试后，开启加热器进行钻孔埋管热响应试验。进行热响应试验时，测试孔供电电压、循环液流流量、流体在地埋管内流动时的压力损失随加热时间的关系曲线见图5。试验孔加热试验时，供电电压的波动情况统计结果见表1，表2为热响应试验时，PE管内载热流体的平均总流量和流体在PE管内的流速和压力损失，流速值符合地源热泵系统工程技术规范要求。表1. 热响应试验时供电线电压波动情况统计结果试验孔号测试时间平均值(V)范围值(V)正偏差(%)负偏差(%)1#试验孔397376-4123.785.29表2.

14、热响应试验时平均流量与流速试验孔号测试时间流量(L/h)流速(m/s)压力损失(kPa)备注1#试验孔13150.687332单U100m表2表明试验孔试验时电压负偏差略大于5%，电压基本稳定，符合地源热泵系统工程技术规范要求。插入图片图5.测试孔测试时供电电压、流量、压力损失随时间变化曲线7.2 载热流体温度与加热时间的关系曲线图6为测试孔进孔水温、出孔水温及平均水温与加热时间的关系曲线。在恒功率热响应试验基本稳定后，试验孔的载热流体进孔与出孔温度平均值见表3。表3.热响应试验24小时时各试验孔液流平均温度试验孔编号1号试验孔液流平均温度()34.30测试时间2014.11.19 插入图片图

15、6. 载热流体温度随加热时间的变化曲线7.3测试孔土壤平均热传导系数的确定测试孔的流体平均温度与时间（以秒为单位）的对数关系曲线如图7所示。插入图片图7. 测试孔的流体平均温度与时间的对数关系曲线测试孔加热6个小时（x=21600s）后进出孔平均温度与加热时间（以秒为单位）的对数之间回归直线方程(图7)的斜率、截距、按（1）式计算的热扩散率和按（3）式计算的导热系数见表4。表4. 热响应试验半对数曲线回归直线的斜率、截距及各孔土壤平均导热系数试验孔号每延米钻孔加热量（W/m）斜率K截距b土壤平均导热系数K(W/Km)土壤平均热扩散率(10-6m2/s)1#试验孔64.982.85521.925

16、91.8110.68347.4测试孔钻孔热阻的计算由（2）式得：公式 式中： 欧拉常数，为0.5772；为钻孔半径，将已知数代入上式，得出的各试验孔的钻孔热阻值见表5。表5.钻孔热阻试验孔编号1号试验孔钻孔热阻Rb(KmW-1)0.1848. 场地浅层地热能换热量预测设试验工况时，载热流体的平均温度为，单位散热量为，则根据（1）式可得试验工况时载热流体平均温度满足下式：公式 (5) 设，释热工作工况时，载热流体的平均温度为，单位释热量为，则根据（1）式可得释热工作工况时载热流体平均温度应满足下式： 公式 (6)在地源热泵载热流体平均温度变化范围内，土体的热传导系数、钻孔热阻、土壤热扩散率变化很

17、小，可忽略不计，而钻孔半径、欧拉常数又为常数。故将（6）式除以（5）式有：公式 (7) 由（7）式可得释热工作工况时，单位孔深释热量为：公式 (8)式中： 试验工况时载热流体的单位孔深释热量W/m； 释热工作工况时载热流体的单位孔深释热量W/m； 载热流体试验工况时的平均温度； 载热流体释热工作工况时的平均温度； 土壤的初始温度。设取热工作工况时，载热流体的平均温度为，单位释热量为，则根据（1）式可得取热工作工况时载热流体平均温度应满足下式： 公式 （9）与推导（8）式同理，将（9）式除以（5）式有：公式 （10） 由（10）式可得取热工作工况时，单位孔深取热量为：公式 （11）按（11）式计

18、算的取热量为负值，一般习惯用其绝对值表示。公司地埋管地源热泵系统冬天取热工况：载热流体中不加防冻剂，温度取值为25，即；夏天释热工况载热流体温度取值为3631，即=33.5。 按（8）式和（11）式计算的在夏天和冬天工况条件下试验孔的每延米钻孔释热量和每延米钻孔取热量的估算值见表6。表7. 各地埋管试验孔释热量与取热量估算值试验孔号初始平均温度（）土壤平均导热系数(W/Km)钻孔热阻 （KmW-1）释热量(W/m)取热量（W/m）备注载热流体温度载热流体温度36/312/51#13.371.8110.18462.530.632单U9. 结论和建议1）场地埋管深度范围内土壤的初始温度平均温度为。2、场地埋管深度范围内土壤的体积比热容平均值可取为=2.65106 J/(m3K)、平均热扩散率可取为=0.683410-6（m2/s），导热系数平均值W/(m)，钻孔