热响应测试报告

1、石家庄地源测试工程岩土热响应研究测试报告天津大学环境学院2021年11月21日石家庄地源测试工程岩土热响应研究测试报告测试人员：编制人： 审核人： 测试单位：天津大学环境学院报告时间： 2021年11月21日目录一、工程概况3.二、地埋管换热器钻孔记录3.2.1 钻孔设备32.2 钻孑L记录4三、测试目的与设备5.四、测试原理与方法 6.4.1 岩土初始温度测试64.2 地埋管换热器换热水平测试 8五、测试结果与分析 9.5.1 测试现场布置95.2 测试时间95.3 夏季工况测试105.4 冬季工况测试145.5 稳定热流测试175.6 测试结果205.7 结果分析20、工程概况建设单位：河

2、北省电力研究院建设地点：石家庄建筑规模：建筑面积3.6万平方米工程名称：地源热泵系统地埋管换热器岩土热响应试验工程工程总体工作量：根据本工程特点和场地范围内的岩土层物理、力学性质, 地源热泵地埋管换热器地热响应埋管测试采用双U竖直埋管形式, GB50366-2005?地源热泵系统工程技术标准?2021年版中,对地源热泵系统 的前期勘察测试工作做了补充规定：30005000m2宜进行测试,5000m2以上应 进行测试,10000m2以上测试孔数量不应少于2个.本工程根据实际状况,在场 区内测试钻孔2个,具体位置由建设单位会同设计院现场确定, 实际测试孔参数 如下：1） A孔：双U管DN32,孔径

3、298mm,钻孔深度为自然地面以下 92.5米, 采用膨润土、细沙与原浆混合比例为 1:3:3作回填材料回填.2） B孔：双U管DN32,孔径300mm,钻孔深度为自然地面以下 92.8米, 采用原浆与细砂混合物回填材料回填.工作量范围：1地埋管换热器钻孔施工；2地埋管换热器埋管施工；3实验测试；4撰写测试报告,提供设计院图纸设计所需的测试报告等资料.二、地埋管换热器钻孔记录2.1 钻孔设备地埋管换热器钻孔设备采用 TB50型反循环打井机械设备5吨型打井设 备,主机使用电机功率7.5kW,大泵功率7.513kW,泥浆泵功率7.5kW,排泥浆泵功率为3kW,钻孔设备实物如图1所示图1钻孔设备实物

4、图2.2 钻孔记录1） A孔钻孔日期为2021年10月10日2021年10月11日,钻孔直径为298mm, 孔深92.5m.下表为A孔的钻孔记录.表1A孔的钻孔记录表时间地层深度m岩土特性描述地层厚度m7:308:3002820m出现一个硬层288:3010:0028 4949m开始卵石层4910:0015:0049 52卵石层5215:00 18:0052 58粗砂层5818:00 19:3058 62泥沙层6219:30 22:4062 83卵石层和泥沙层8322:40 0:2083 90卵石层和泥沙层902:009:1590 92.5卵石层92.5垂直地埋管换热器插入钻孔前,应做第一次水

5、压试验,2021年10月11日6:30开始打压,压力为1.6MPa,稳压6小时,无泄漏现象.2021年10月11日 上午10:00开始洗井,下午13:00结束,洗井完毕后,将垂直地埋管换热器插入 钻孔简称下管,14: 30下管完毕,对其进行打压,压力为1.6MPa,稳压20min, 无泄漏现象,15:00采用膨润土、细沙与原浆混合比例为 1:3:3作回填材料回填,16:00回填完毕,但在回填的过程中,由于膨胀土膨胀、粘稠,回填材料填的不 是很充足.2） B孔B孔钻孔工作开始于2021年10月12日7:00,18:10停止钻孔,钻孔深度为 93.5m,由于操作人员的疏忽,在从钻孔中提出钻杆的过程

6、中将11根钻杆掉到所 打的钻孔中每根钻杆2.7m,经过和设计单位协商,将钻孔B的位置定于原位 置正西5m处.钻孔日期为2021年10月13日2021年10月14日,钻孔直径 为300mm,孔深92.8m.下表为B孔的钻孔记录.表2 B孔的钻孔记录表时间地层厚度m地层厚度m10:5012:30028黄土层2812:3013:2028 33夹杂大颗粒沙子的硬土3313:2015:4033 48一层软一层硬的泥沙层4815:40 22:504871泥土层7118:00 19:3071 82泥沙层825:307:1082 92.8卵石层和泥沙层92.8垂直地埋管换热器插入钻孔前,做第一次水压试验,20

7、21年10月12日9:20 开始打压,压力为1.6MPa,稳压5小时,无泄漏现象.2021年10月14日7:30 开始洗井,8:30洗井结束,8:40开始下管,9:20下管完毕,对其进行打压,压 力为1.6MPa,稳压25min,无泄漏现象,9:45开始回填,采用原浆与细砂混合 物回填材料回填,10:50回填完毕.三、测试目的与设备通过本次测试,获得埋管区域内土壤综合初始地温、 埋管与岩土体的实际换 热水平,为地源热泵系统的设计提供依据.地源热泵模拟工况条件的设备由恒温加热水箱变频限制、风冷制冷机组 变频限制,电子膨胀阀、水泵、流量调节阀、流量计、温度传感器、压力传 感器、温度采集仪及监测、记

8、录仪表组成,可用来模拟夏季排热工况和冬季取热 工况.系统运行稳定：地埋管内流量、供水温度依据设计要求可手工调节设定,供水温度通过自动限制系统保持恒定,误差为±0.2C；加热器与压缩机可双工况同时运行,自动起停,也可手动操作.试验采用计算机数据采集,每隔5秒钟采集一次数据,自动存储数据.系统流程如图2所示,测试系统实物图如图3所示.恒温水箱5-50C产、流量计制冷机组限制系统图2测试系统流程图图3测试系统实物图四、测试原理与方法4.1岩土初始温度测试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,温差是热量传递的驱动.对于地源热泵的地埋管换热系

9、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. ?标准? 规定,岩土初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法.测定的布置宜在 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.本测试工程采用垂直布置温度传感器法,沿 PE管外部深度方向上布置温度 传感器PT100,通过实时监测温度传感器的监测数据,确定不同深度地层的温度, 最终以所测的不同深度地层的温度的算术平均值最为岩土初始温度.A孔孔深92.5m,从井底自上共布置温度传感器10个,间隔为10m

10、.B孔孔深92.8m,从 井底自上共布置温度传感器12个,间隔为8m.温度传感器的布置图如图4所示. 使用安捷伦数据采集仪作为二次测温元件,通过 RS232数据连接线与笔记本电 脑连接,笔记本电脑将自动采集数据,每 30秒采集一次数据,数据采集实物图信号线PE管外置遑度转感器1 m图4温度传感器布置图图5数据采集实物图4.2地埋管换热器换热水平测试对地源热泵系统地埋管换热器换热水平的测试有两种方式,一种是稳定热流模拟实验简称恒流法,另一种是稳定工况模拟实验简称恒温法.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

11、,并利用模型计算岩土热物性情况.该方法的优点是：测试设备结构简单；相 关理论研究成果多,理论依据充分.缺点：传热模型存在适应性问题,假设条件与实际地质情况差距较大；需要屡次模型计算,增加误差累计；计算具有较强 专业性,掌握程度不同等.稳定工况模拟实验,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,也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. 该方法的优点是：优 点：测试结果直观；设计结果可校核.缺点：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；测试设备复杂等.综合考虑,本测试工程采用稳定工况法,稳定

12、工况测试示意图如图6所示,表3为稳定工况的测试参数.为了进一步探寻岩土热响应方法对实际换热水平的 影响,对B孔的测试,采用了稳定工况法和稳定热流法两种方式,并将二者的 测试结果进行深层次的探讨,为地埋管的设计和施工提供更可靠的指导.表3稳定工况测试参数表工况试验供水温度C回水温度C 流量m3/h总传热量kW模拟夏季工况放热331.8-2.0一模拟冬季工况取热51.8-2.0一五、测试结果与分析5.1测试现场布置测试工作中,一个工况的测试至少要连续运行 48小时,为了保证测试工作 的顺利进行,搭建了帐篷作为遮挡棚,在遮挡棚内进行相关的测试工作, 帐篷的 四个侧面可以完全翻开和关闭,以便制冷机组的

13、通风散热.现场的布置图如下列图 7所示./IMWL帐谶小L图7测试现场布置图测流入员临时休息区|由洲埼通奉舒士了 “F©测试工作区匚 R174M轴 1拇入 F 1六%UQ懒图5.2测试时间测试时间及与之相应的测试工作见表44测试工作时间表测试内容测试时间测试时长/小时A孔夏季工况的模拟测试10月14日,70月17日75A孔冬季工况的模拟测试10月18日,70月22日100B孔加热功率为3.6kW模拟测试10月23日,70月27日90B孔夏季工况的模拟测试10月27日,70月29日56B孔冬季工况的模拟测试11月5日入,11月8日74B孔加热功率为8.4kW模拟测试11月11日11月1

14、4日755.3夏季工况测试夏季工况测试的是热泵系统夏天热泵制冷工况：空调系统通过制冷设备把各 房间的热量抽取出来,通过地埋管换热器排向地下土壤.测量地埋管在夏天的散 热功率,就是根据地源热泵设备运行的标准工况所对应冷凝温度的冷凝器出水温 度,拟定某流量进行模拟运行试验实测值.测试试验持续运行,直至回水温度与地埋管换热器的换热量趋于稳定,近似不再变化.1)测试结果循环水在地埋管中的进出口温差和传热量是由地埋PE管和水平连接管换热作用的结果.由于在水平地面上的水平连接管较短并且用保温材料对其进行保 温.所以其对换热的效果影响较小,可近似的忽略.a) A孔夏季工况图8、9、10分别为A孔供回水温度、

15、换热量、流量随时间变化图.如图 8 所示,供水温度在运行56个小时后已经趋于稳定,温度在 32.8土 0.3C范围内 波动,而图8、9显示,A井夏季排热工况的模拟在运行 50多个小时后趋于稳定, 最后20个小时内变化很小,到达稳定的状态,由此可见,地下换热到达相对稳 定的时间要远远长于供水温度到达稳定的时间.如图10所示,测试期间流量一直稳定在1.8-1.95m3/h期间,到达测试要求标准1.8-2.0m3/h.通过计算供水温度 在最后稳定的12小时内平均温度为32.76C ,回水温度均值为30.65C,供回水 温度差为2.11C,平均换热量均值为4.62kW0A孔供回水温度随时间变化图&qu

16、ot;供水温度回水温度35.0033.0031.0029.0027.002S,0023.0021.0019.0017.0015.00寻 8tZN 另寸OF 6 里 Emd 用HTE LrlEMEKI oEamI 6I = E3T KHLnM ©WEE LnTNSmm 寸I曰？OZ ESN寸由I HEI Mss "岩.5 m66N 旱 6gEE 堂REI fmy蓝I 9F苍B时间图8A孔供回水温度随时间变化图A孔换热量随时间变化图W0L8 IggE (砥禺8LST9 m5L 6匚曰EL 二WPR 9匚凿Al HEgEElld 寸INFOE阳 EI 防WI mLLrl-EL 6

17、6:E曰T gLnom 一由5gESRuloTln$TZ 君尾包 扇615 grRIT 9p 防 mm图9A孔换热量随时间变化图A孔流量随时间变化图WOIW w京行 SF&T COE 而 TAE 咯m LrlE 必色LrlI 5IE 6 FI66O山 卬TJwAi SI&HEEIH 寸INE昌时 曾由IE TMTEI S2EOI 年9E m 寸 sorw Mwso T6由寸=( aEEm FrmRtnI 9E7WT WE5密b) B孔夏季工况图11、12、13所示的分别为B孔供回水温度、换热量、流量随时间变化图. 如上图10和下列图13是A、B孔流量随时间变化图,图中显示流量在

18、所要求的 1.8-2.0 m3/h的范围内波动,止匕B孔夏季工况测试是在做完包热流 3.6kW工况, 供水温度升至28c后,直接进行夏季稳定工况测试的,下列图 11明显示出供水温 度只需要23小时,根据图8、9所示,B井夏季取热工况的模拟在运行11 12小时后就趋于稳定,由于经过恒热流工况后,地下的传热在供水温度28c时, 已经到达一个动态的平衡,当供水温度升至33c左右时,地下传热建立新的平衡时间就较短.如图13所示,测试期间B井流量一直稳定在1.85-2.0m3/h期间, 到达测试要求标准1.8-2.0m3/h.通过计算供水温度在最后稳定的 12小时内平均 温度为33.22C,回水温度均值

19、为31.03C,供回水温差为2.19C,换热量均值为 4.92kW0B孔供回水温度随时间变化图55.00C 33.00 卜一 一丫 31.00:蚁 29.00 r?1 27.00 I-实际供水温度25.00 实际回水温度岑 IOOI 6OOW 罟二学 TWWI 60m 舄WET 01而R eonE 寻 明°寻1 gqTET gqEHWT二 T 寸o由 em时间图11 B孔供回水温度随时间变化图B孔换热量随时间变化图1311«SSCOTI m=6Edc goow 800号 66三 寸 HITOE Ent 6O&T oooKOmI T0出EOT UI 而 rm oe寻虫

20、g 6°IEm DDcm BOO5N KOttNoe 益告击I 92寻 ST Lrtom 33图12 B孔换热量随时间变化图流量Eon 6°6Em Boorig 8000寸 mo出与丁 or mu导E g芭心T 30心 EI To茄 EOL ohelk oleLn而 6°TE 瑞 Do°6m EOO5NE EREEON 3381 由trmwlriL mo防片EI图13 B孔流量随时间变化图C夏季工况总结将A、B两孔的夏季工况测试结果进行汇总,汇总结果见下表5表5夏季工况测试结果汇总表钻孔标勺供水温度回水温度流里流速温度波动总换热量(C)(C)/3(m /

21、h)(m/s)(C)(kW)A孔32.7630.651.8810.58士 0.34.62B孔33.2231.031.9270.59士 0.24.922地埋管换热器换热水平分析根据测试数据,可计算两孔的单位深度换热量,计算结果见下表6所示.A、B两孔的单位延米换热量分别为 49.95W/m和53.02W/m表6夏季工况单位延米换热量钻孔标勺供水温度C回水温度C孔深m单位延米换热量W/mA孔32.7630.6592.549.95B孔33.2231.0392.853.025.4冬季工况测试冬季工况测试的是热泵系统冬季热泵的供热工况：取热试验应用于冬天的热 泵供热工况.在冬天,地源热泵以地下岩土蓄热体

22、作为热源,通过埋设的地埋管换热器从地下土壤层收取热量,再输送到各个房间.测量地埋管冬天的传热功率, 就是根据地源热泵设备运行的标准工况所对应冷凝温度的冷凝器出水温度,拟定某流量进行模拟运行试验实测值.测试试验持续运行,直至回水温度与地埋管换 热器的换热量趋于稳定,近似不再变化.1测试结果a A孔冬季工况图14、15、16分别为A孔冬季工况测试供回水温度、换热量、流量随时 间变化图.图16显示了流量在1.81.95m3/h范围内波动,满足要求.供水温度 同样是在运行56个小时后趋于稳定,温度在5±0.2C范围内波动,而图14、 15显示,A井冬季取热工况的模拟在运行 50多个小时后趋于

23、稳定,同夏季放热 工况得到的结论相同：供水温度到达稳定的时间要远远小于地下换热到达稳定的 时间.供水温度在最后稳定的12小时内平均温度为 5.07C,回水温度均值为6.44C,供回水温差为1.37C,换热量均值为2.99kW.A孔供回水温度随时间变化图笠110亩 E戏EE而 IWSRmE otzcnE 百 I LnIon 另ERE 受SE司E 9FE9BT WZE 而 I 0m«.山 BRsm 将由寸百E 5GcoTodl t 唠 wml SEEoi oozo Idol供水温度一回水温度A孔换热量随时间变化图gH&oo &ETO 导 bToE ESOE 岳 T 年9s

24、s ESN?再 osm7I qoz 芭 T ET&EIIHl OFIZWM 6H60石 K7 寻 EE LrlH 寻 61 Tso可 SI oLn而E = I EOKTR wrE M&ET WE寸百 ZO%M 10*OOI(m.克图15 A孔换热量随时间变化图A孔流量随时间变化图流量36适 寻Ri? &KIO 0寸一寸TOE E6OE EE2也6 EEK寸属 QLn而寸= & 亩 FIN 寻RET s;z« &G9W aLnMEE 5kLm61 166261 osmEE EEI而 QOVRmN I 个DDFgT 8君E 3豆01IIJI I图1

25、6 A孔流量随时间变化图b) B孔冬季工况图11、12、13所示的分别为B孔供回水温度、换热量、流量随时间变化图. 图19亦显示流量在所要求的1.8-2.0 m3/h的范围内波动.通过计算供水温度在最 后稳定的12小时内平均温度为4.87 C,回水温度均值为6.13C,供回水温差为 1.26 C,换热量均值为2.86kW0B孔供回水温度随时间变化图实际供水温度实际回水温度ELrlooom Ln而LngT OQmNFEI Ilcm 己 i 5Emw OO&UE 66匚Em UW山I I 厂 6r EI 603EOI QSM二 告后曷 , 9E00I 金二百图17 A孔供回水温度随时间变化

26、图B孔换热量随时间变化图10 IM & H上换热量&Bm ERESO ggTNEES寻0 6L ?6而TlpL 8mosrsIII二IIRE 二切00 SEE防02吊 E 6FE9EE 间 寸rET再时 EHEE 二Trcrlsw 01 亩 NRL 60 百 56 呈皆、 号ZE寸 LSOW OWEEZ - SMEOZ smul曰 I E2TM乏滓图18 B孔换热量随时间变化图RKSO 舄二 ZAr S:60GI zLrl芯 N9T %E:Ln防 T 三 6LIT gEotzw LTIT9OS o°号 E yfflzoE mE odDOn ss.s m岂 i里珞寸 寸

27、口击Ln防E 寸 5ui一OE msoo送 I时间c冬季工况总结将A、B两孔的夏季工况测试结果进行汇总,汇总结果见下表7表7冬季工况测试结果汇总表钻孔标号供水温度回水温度流里流速温度波动总换热量(C)(C)(m3/h)(m/s)(C)(kW)A孔5.076.441.8760.58士 0.22.99B孔4.876.131.9450.60士 0.22.862地埋管换热器换热水平分析根据测试数据,可计算两孔的单位深度换热量,计算结果见下表8所示.A、B两孔的单位延米换热量分别为 32.32W/m和30.82W/m表8冬季工况单位延米换热量钻孔标号供水温度C回水温度C孔深m单位延米换热量W/mA孔5.

28、076.4492.532.32B孔4.876.1392.830.825.5稳定热流测试稳定热流测试就是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热物性情况.本测试工程 采用电加热器提供稳定热量,通过记录地埋管换热器供回水温度、流量等参数, 利用线源模型来计算岩土的热物性参数. 由于稳定热流测试属于辅助测试,所以 本测试工程只对B孔使用该方法进行测试.1计算方法用来估计地下土壤特性的方法通常有线源法、柱源法、参数估计法等.热响应测试数据处理最简单的方法是 1996年EKL?F和GEHLIN提出的线源理论. 即在一定的输入热量下,土壤热交换器周围的温

29、度场可以描述为沿一线源温度与 时间和半径的方程.测量土壤热交换器中流体的温度,得到流体和钻孔壁温的关 系式：帏哪流体温度随时间变化的函数式可以写为：通过计算温度与自然对数时间曲线斜率 k可以得到温度的热响应规律:Tf(t) = k*ln(t)+m式中,.流体温度,c；.钻孔壁面温度,c；无干扰地 温,C； t测试时间,s； r钻孔半径,m； q单位井7释热量, W/m；,热扩散率,m2/s； _钻孔热阻,K/W m；土壤导热系数,W/m K2加热功率为3.6kW测试结果图19为加热功率为3.6kW时,稳定热流工况测试中,被测介质供、回水 及计算的平均介质温度示意图.在最后稳定的 12小时内,供

30、水温度平均温度为 27.84C,回水温度均值为 26.19C,平均介质温度为 27.02C 0温度随时间变化图30.0028 0026.0024.0022.0020.0018.0016.0014.0012 00一供水温度回水温度供回水平均温度寸 I6E&Z odWET 000司 E> 9OOEA sooImm Eq 寸 DEL 首二I 戈 6RLFI kwilhg 用寻31 hemi 浮点防E 6b二(四 gmLHoT图19 B孔恒热流工况温度随时间变化图下列图20为加热功率为3.6kW时,稳定热流工况测试中,平均介质温度与自然对数时间拟合图,拟合后得到温度与对数时间的变化趋势T

31、-ln的斜率为k=1.9768.由上式3可得=1.586 W/m|K.安捷伦数据采集器测得 的无干扰地温TD=14.14C,可计算出钻孔热阻 耳=0.141 K/W|m,热扩散率3=0.8675X10 m2/s,利用加热功率为3.6kW的数据和式2、3进行外推,当加热功率为5.5kW时,当工况模拟到达稳定是,平均介质温度为33.04C,力口热功率为7kW时,稳定后平均介质温度为37C,当加热功率为8.4kW时,当工况模拟到达稳定是,平均介质温度为42.16Co平均介质温度与自然对数时间拟合图-=29.0027.0025 0023.0021.0019破17.0015 0056789 10 11

32、12 13 14 15*供水温度平均温度 一线性供水温度平均温度图20 B孔恒热流工况温度随自然对数时间拟合图3加热功率为8.4kW测试结果图21为加热功率为8.4kW时,稳定热流工况测试中,被测介质供、回水及 计算的平均介质温度示意图.在最后稳定的12小时内,供水温度平均温度为44.22C,回水温度均值为40.53C,平均介质温度为42.40C ,与上推算出来加 热功率为8.4kW是,平均介质温度42.16C吻合,所以推算结果具有参考价值.温度随时间变化图25.0046.0043.0040.0037 0034.0031.0028.0022.0019.0016.0013 009E61;而 寸m言O寸LFIO山E61I 句=3 I 0ICO5F白寸高 E 000可? L G0I 学常必95CONT 另 9rEE ESN百 RETS osLnooL供水温度回水温度供回水平均温度时间图21 B孔恒热流工况温度随时间变化图4恒流法测试结果汇总表将恒温法所得