熱響應測試報告

石家莊地源測試項目巖土熱響應研究測試報告天津大學環(huán)境學院2010年11月21日石家莊地源測試項目巖土熱響應研究測試報告測試人員：編制人：審查人：測試單位：天津大學環(huán)境學院報告時間：2010年11月21日目錄一、項目概略

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錯誤!不決義書簽。二、地埋管換熱器鉆孔記錄

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錯誤!不決義書簽。鉆孔設施

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錯誤!不決義書簽。鉆孔記錄

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錯誤!不決義書簽。三、測試目的與設施

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錯誤!不決義書簽。四、測試原理與方法

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錯誤!不決義書簽。巖土初始溫度測試

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錯誤!不決義書簽。地埋管換熱器換熱能力測試

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錯誤!不決義書簽。五、測試結果與剖析

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錯誤!不決義書簽。測試現(xiàn)場部署

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錯誤!不決義書簽。測試時間

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錯誤!不決義書簽。夏季工況測試

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錯誤!不決義書簽。冬季工況測試

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錯誤!不決義書簽。穩(wěn)固熱流測試

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錯誤!不決義書簽。測試結果

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錯誤!不決義書簽。結果剖析

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錯誤!不決義書簽。一、項目概略建設單位：河北省電力研究院建設地址：石家莊建筑規(guī)模：建筑面積萬平方米工程名稱：地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器巖土熱響應試驗工程工程整體工作量：依據(jù)本工程特色和場所范圍內(nèi)的巖土層物理、力學性質，地源熱泵地埋管換熱器地熱響應埋管測試采納雙U豎直埋管形式，GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（2009年版）中，對地源熱泵系統(tǒng)的先期勘探測222試工作做了增補規(guī)定：3000～5000m宜進行測試，5000m以上應進行測試，10000m以上測試孔數(shù)目不該少于2個。本工程依據(jù)實質狀況，在場區(qū)內(nèi)測試鉆孔2個，詳細地點由建設單位會同設計院現(xiàn)場確立，實質測試孔參數(shù)以下：1）A孔：雙U管DN32，孔徑298mm，鉆孔深度為自然地面以下米，采納膨潤土、細沙與原漿混淆比率為1:3:3作回填資料回填。B孔：雙U管DN32，孔徑300mm，鉆孔深度為自然地面以下米，采納原漿與細砂混淆物回填資料回填。工作量范圍：1）地埋管換熱器鉆孔施工；2）地埋管換熱器埋管施工；3）實驗測試；4）撰寫測試報告，供給設計院圖紙設計所需的測試報告等資料。二、地埋管換熱器鉆孔記錄鉆孔設施地埋管換熱器鉆孔設施采納TB50型反循環(huán)打井機械設施（5噸型打井設施），主機使用電機功率，大泵功率～13kW，泥漿泵功率，排泥漿泵功率為3kW，鉆孔設施實物如圖1所示。圖1鉆孔設施實物圖鉆孔記錄1）A孔鉆孔日期為2010年10月10日～2010年10月11日，鉆孔直徑為298mm，孔深。下表為A孔的鉆孔記錄。表1A孔的鉆孔記錄表時間地層深度（m）巖土特征描繪地層厚度(m)7:30～8:300～2820m出現(xiàn)一個硬層288:30～10:0028～4949m開始卵石層4910:00～15:0049～52卵石層5215:00～18:0052～58粗砂層5818:00～19:3058～62泥沙層6219:30～22:4062～83卵石層和泥沙層8322:40～0:2083～90卵石層和泥沙層902:00～9:1590～卵石層垂直地埋管換熱器插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗，2010年10月11日6:30開始打壓，壓力為，穩(wěn)壓6小時，無泄露現(xiàn)象。2010年10月11日上午10:00開始洗井，下午13:00結束，洗井完成后，將垂直地埋管換熱器插入鉆孔（簡稱下管），14：30下管完成，對其進行打壓，壓力為，穩(wěn)壓20min，無泄露現(xiàn)象，15:00采納膨潤土、細沙與原漿混淆比率為1:3:3作回填資料回填，16:00回填完成，但在回填的過程中，因為膨脹土膨脹、黏稠，回填資料填的不是很充分。2）B孔孔鉆孔工作開始于2010年10月12日7:00,18:10停止鉆孔，鉆孔深度為，因為操作人員的大意，在從鉆孔中提出鉆桿的過程中將11根鉆桿掉到所打的鉆孔中（每根鉆桿），經(jīng)過和設計單位磋商，將鉆孔B的地點定于原地點正西5m處。鉆孔日期為2010年10月13日～2010年10月14日，鉆孔直徑為300mm，孔深。下表為B孔的鉆孔記錄。表2B孔的鉆孔記錄表時間地層厚度（m）巖土特征描繪地層厚度(m)10:50～12:300～28黃土層2812:30～13:2028～33夾雜大顆粒沙子的硬土3313:20～15:4033～48一層軟一層硬的泥沙層4815:40～22:5048～71泥土層7118:00～19:3071～82泥沙層825:30～7:1082～卵石層和泥沙層垂直地埋管換熱器插入鉆孔前，做第一次水壓試驗，2010年10月12日9:20開始打壓，壓力為，穩(wěn)壓5小時，無泄露現(xiàn)象。2010年10月14日7:30開始洗井，8:30洗井結束，8:40開始下管，9:20下管完成，對其進行打壓，壓力為，穩(wěn)壓25min，無泄露現(xiàn)象，9:45開始回填，采納原漿與細砂混淆物回填資料回填，10:50回填完成。三、測試目的與設施經(jīng)過本次測試，獲取埋管地區(qū)內(nèi)土壤綜合初始地溫、埋管與巖土體的實質換熱能力，為地源熱泵系統(tǒng)的設計供給依照。地源熱泵模擬工況條件的設施由恒溫加熱水箱（變頻控制）、風冷制冷機組（變頻控制，電子膨脹閥）、水泵、流量調(diào)理閥、流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度收集儀及監(jiān)測、記錄儀表構成，可用來模擬夏季排熱工況和冬季取熱工況。系統(tǒng)運轉穩(wěn)固：地埋管內(nèi)流量、供水溫度依照設計要求可手工調(diào)理設定，供水溫度經(jīng)過自動控制系統(tǒng)保持恒定，偏差為±℃；加熱器與壓縮機可雙工況同時運轉，自動起停，也可手動操作。試驗采納計算機數(shù)據(jù)收集，每隔5秒鐘收集一次數(shù)據(jù)，自動儲存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)流程如圖2所示，測試系統(tǒng)實物圖如圖3所示。圖2測試系統(tǒng)流程圖圖3測試系統(tǒng)實物圖四、測試原理與方法巖土初始溫度測試在眾多的設計參數(shù)之中，被以為最簡單測定也是最簡單被忽視的就是巖土初始均勻溫度。盡人皆知，溫差是熱量傳達的驅動。關于地源熱泵的地埋管換熱系統(tǒng)，地埋管換熱器的均勻溫度與巖土均勻溫度的溫差是熱量傳達的驅動力。所以，做好巖土初始均勻溫度的測定工作關于地埋管換熱器的設計特別重要。《規(guī)范》規(guī)定，巖土初始均勻溫度的測試應采納部署溫度傳感器的方法。測定的部署宜在地埋管換熱器埋設深度范圍內(nèi)，且間隔不宜大于10m；以各測點實測溫度的算術均勻值作為巖土初始均勻溫度。本測試工程采納垂直部署溫度傳感器法，沿PE管外面深度方向上部署溫度傳感器PT100，經(jīng)過及時監(jiān)測溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確立不一樣深度地層的溫度，最后以所測的不一樣深度地層的溫度的算術均勻值最為巖土初始溫度。A孔孔深，從井底自上共部署溫度傳感器10個，間隔為10m。B孔孔深，從井底自上共部署溫度傳感器12個，間隔為8m。溫度傳感器的部署圖如圖4所示。使用安捷倫數(shù)據(jù)收集儀作為二次測溫元件，經(jīng)過RS232數(shù)據(jù)連結線與筆錄本電腦連結，筆錄本電腦將自動收集數(shù)據(jù)，每30秒收集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集實物圖如圖５所示。圖4溫度傳感器部署圖圖5數(shù)據(jù)收集實物圖地埋管換熱器換熱能力測試對地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器換熱能力的測試有兩種方式，一種是穩(wěn)固熱流模擬實驗（簡稱恒流法），另一種是穩(wěn)固工況模擬實驗（簡稱恒溫法）。穩(wěn)固熱流模擬試驗，也稱為“熱響應測試”或“巖土熱物性測試”，采納電加熱器（或制冷機）供給穩(wěn)固熱量（或冷量），記錄地埋管換熱器的溫度響應狀況，并利用模型計算巖土熱物性狀況。該方法的長處是：測試設施構造簡單；有關理論研究成就多，理論依照充分。弊端：傳熱模型存在適應性問題，假定條件與實質地質狀況差距較大；需要多次模型計算，增添偏差累計；計算擁有較強專業(yè)性，掌握程度不一樣樣。穩(wěn)固工況模擬實驗，也稱為“冷、熱響應測試”，采納風冷熱泵成立穩(wěn)固的地埋管換熱器運轉工況，也可計算巖土體熱物性參數(shù)，并直觀獲取地埋管換熱器每延米換熱量，也用于計算地埋管換熱器的綜合傳熱系數(shù)。該方法的長處是：長處：測試結果直觀；設計結果可校核。弊端:有關理論研究成就較少，忽視管井間熱擾亂和非穩(wěn)態(tài)傳熱要素；測試設施復雜等。綜合考慮，本測試工程采納穩(wěn)固工況法，穩(wěn)固工況測試表示圖如圖6所示，表3為穩(wěn)固工況的測試參數(shù)。為了進一步探訪巖土熱響應方法對實質換熱能力的影響，對B孔的測試，采納了穩(wěn)固工況法和穩(wěn)固熱流法兩種方式，并將二者的測試結果進行深層次的商討，為地埋管的設計和施工供給更靠譜的指導。圖6穩(wěn)固工況表示圖表3穩(wěn)固工況測試參數(shù)表工況試驗供水溫度（℃）回水溫度流量（m3/h）總傳熱量（kW）(℃)模擬夏季工況放熱33——模擬冬季工況取熱5——五、測試結果與剖析測試現(xiàn)場部署測試工作中，一個工況的測試起碼要連續(xù)運轉48小時，為了保證測試工作的順利進行，搭建了帳篷作為遮擋棚，在遮擋棚內(nèi)進行有關的測試工作，帳篷的四個側面能夠完整翻開和封閉，以便制冷機組的通風散熱?，F(xiàn)場的部署圖以下列圖所示。圖7測試現(xiàn)場部署圖測試時間測試時間及與之相應的測試工作見表4表4測試工作時間表測試內(nèi)容測試時間測試時長/小時A孔夏季工況的模擬測試10月14日～10月17日75A孔冬季工況的模擬測試10月18日～10月22日100B孔加熱功率為模擬測試10月23日～10月27日90B孔夏季工況的模擬測試10月27日～10月29日56B孔冬季工況的模擬測試11月5日～11月8日74B孔加熱功率為模擬測試11月11日～11月14日75夏季工況測試夏季工況測試的是熱泵系統(tǒng)夏季熱泵制冷工況：空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過制冷設施把各房間的熱量抽拿出來，經(jīng)過地埋管換熱器排向地下土壤。丈量地埋管在夏季的散熱功率，就是依據(jù)地源熱泵設施運轉的標準工況所對應冷凝溫度的冷凝器出水溫度，制定某流量進行模擬運轉試驗實測值。測試一試驗連續(xù)運轉，直至回水溫度與地埋管換熱器的換熱量趨于穩(wěn)固，近似不再變化。測試結果循環(huán)水在地埋管中的出入口溫差和傳熱量是由地埋PE管和水平連結收換熱作用的結果。因為在水平川面上的水平連結收較短而且用保溫資料對其進行保溫。所以其對調(diào)熱的成效影響較小，可近似的忽視。A孔夏季工況圖8、9、10分別為A孔供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。如圖8所示，供水溫度在運轉5～6個小時后已經(jīng)趨于穩(wěn)固，溫度在±0.3℃范圍內(nèi)顛簸，而圖8、9顯示，A井夏季排熱工況的模擬在運轉50多個小時后趨于穩(wěn)固，最后個小時內(nèi)變化很小，達到穩(wěn)固的狀態(tài)，因而可知，地下?lián)Q熱達到相對穩(wěn)固的時間要遠遠擅長供水溫度達到穩(wěn)固的時間。如圖10所示，測試時期流量向來穩(wěn)定在-1.95m3h時期，達到測試要求標準-2.0m3h。經(jīng)過計算供水溫度在最后穩(wěn)固的12小時內(nèi)均勻溫度為℃，回水溫度均值為℃，供回水溫度差為2.11℃，均勻換熱量均值為。圖8A孔供回水溫度隨時間變化圖圖9A孔換熱量隨時間變化圖圖10A孔流量隨時間變化圖B孔夏季工況圖11、12、13所示的分別為B孔供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。如上圖10和下列圖13是Ａ、Ｂ孔流量隨時間變化圖，圖中顯示流量在所要求的3m/h的范圍內(nèi)顛簸，此B孔夏季工況測試是在做完恒熱流工況,供水溫度升至28℃后，直接進行夏季穩(wěn)固工況測試的，下列圖11顯然示出供水溫度只要要2～3小時，依據(jù)圖8、9所示，B井夏季取熱工況的模擬在運轉11～12小時后就趨于穩(wěn)固，因為經(jīng)過恒熱流工況后，地下的傳熱在供水溫度28℃時，已經(jīng)達到一個動向的均衡，當供水溫度升至33℃左右時，地下傳熱成立新的均衡時間就較短。如圖13所示，測試時期B井流量向來穩(wěn)固在-2.0m3h時期，達到測試要求標準-2.0m3h。經(jīng)過計算供水溫度在最后穩(wěn)固的12小時內(nèi)均勻溫度為33.22℃，回水溫度均值為31.03℃，供回水溫差為2.19℃，換熱量均值為。圖11B孔供回水溫度隨時間變化圖圖12B孔換熱量隨時間變化圖圖13B孔流量隨時間變化圖夏季工況總結將Ａ、Ｂ兩孔的夏季工況測試結果進行匯總，匯總結果見下表5。表5夏季工況測試結果匯總表鉆孔標號供水溫度回水溫度流量流速溫度顛簸總換熱量（kW）（℃）（℃）3）（m/s）（℃）（m/hA孔±B孔±地埋管換熱器換熱能力剖析依據(jù)測試數(shù)據(jù)，可計算兩孔的單位深度換熱量，計算結果見下表6所示。Ａ、Ｂ兩孔的單位延米換熱量分別為m和m。表6夏季工況單位延米換熱量鉆孔標號供水溫度（℃）回水溫度（℃）孔深（m）單位延米換熱量（W/m）孔孔冬季工況測試冬季工況測試的是熱泵系統(tǒng)冬季熱泵的供熱工況：取熱試驗應用于冬季的熱泵供熱工況。在冬季，地源熱泵以地下巖土蓄熱體作為熱源，經(jīng)過埋設的地埋管換熱器從地下土壤層收取熱量，再輸送到各個房間。丈量地埋管冬季的傳熱功率，就是依據(jù)地源熱泵設施運轉的標準工況所對應冷凝溫度的冷凝器出水溫度，制定某流量進行模擬運轉試驗實測值。測試一試驗連續(xù)運轉，直至回水溫度與地埋管換熱器的換熱量趨于穩(wěn)固，近似不再變化。測試結果A孔冬季工況圖14、15、16分別為A孔冬季工況測試供回水溫度、換熱量、流量隨時間3變化圖。圖16顯示了流量在～1.95m/h范圍內(nèi)顛簸，知足要求。供水溫度相同是在運轉5～6個小時后趨于穩(wěn)固，溫度在5±0.2℃范圍內(nèi)顛簸，而圖14、15顯示，A井冬季取熱工況的模擬在運轉50多個小時后趨于穩(wěn)固，同夏季放熱工況獲取的結論相同：供水溫度達到穩(wěn)固的時間要遠遠小于地下?lián)Q熱達到穩(wěn)固的時間。供水溫度在最后穩(wěn)固的12小時內(nèi)均勻溫度為5.07℃，回水溫度均值為6.44℃，供回水溫差為1.37℃，換熱量均值為。圖14A孔供回水溫度隨時間變化圖圖15A孔換熱量隨時間變化圖圖16A孔流量隨時間變化圖B孔冬季工況圖11、12、13所示的分別為B孔供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。圖19亦顯示流量在所要求的m3/h的范圍內(nèi)顛簸。經(jīng)過計算供水溫度在最后穩(wěn)固的12小時內(nèi)均勻溫度為4.87℃，回水溫度均值為6.13℃，供回水溫差為1.26℃，換熱量均值為。圖17A孔供回水溫度隨時間變化圖圖18B孔換熱量隨時間變化圖圖19B孔流量隨時間變化圖冬季工況總結將Ａ、Ｂ兩孔的夏季工況測試結果進行匯總，匯總結果見下表7。表7冬季工況測試結果匯總表鉆孔標號供水溫度回水溫度流量流速溫度顛簸總換熱量（kW）（℃）（℃）3）（m/s）（℃）（m/hA孔±B孔±地埋管換熱器換熱能力剖析依據(jù)測試數(shù)據(jù)，可計算兩孔的單位深度換熱量，計算結果見下表8所示。Ａ、Ｂ兩孔的單位延米換熱量分別為m和m。表8冬季工況單位延米換熱量鉆孔標號供水溫度（℃）回水溫度（℃）孔深（m）單位延米換熱量（W/m）孔孔穩(wěn)固熱流測試穩(wěn)固熱流測試就是采納電加熱器（或制冷機）供給穩(wěn)固熱量（或冷量），記錄地埋管換熱器的溫度響應狀況，并利用模型計算巖土熱物性狀況。本測試工程采納電加熱器供給穩(wěn)固熱量，經(jīng)過記錄地埋管換熱器供回水溫度、流量等參數(shù)，利用線源模型來計算巖土的熱物性參數(shù)。因為穩(wěn)固熱流測試屬于協(xié)助測試，所以本測試工程只對B孔使用該方法進行測試。1）計算方法用來預計地下土壤特征的方法往常有線源法、柱源法、參數(shù)預計法等。熱響應測試數(shù)據(jù)辦理最簡單的方法是1996年EKL?F和GEHLIN提出的線源理論。即在必定的輸入熱量下，土壤熱互換器四周的溫度場能夠描繪為沿一線源溫度與時間和半徑的方程。丈量土壤熱互換器中流體的溫度，獲取流體和鉆孔壁溫的關系式：(1)流體溫度隨時間變化的函數(shù)式能夠寫為：2）經(jīng)過計算溫度與自然對數(shù)時間曲線斜率k能夠獲取溫度的熱響應規(guī)律：(3)式中，——流體溫度，℃；——鉆孔壁面溫度，℃；——無干擾地溫，℃；t——測試時間，s；r——鉆孔半徑，m；——單位井深釋熱量，2W/m；——熱擴散率，m/s；——鉆孔熱阻，K/Wm；——土壤導熱系數(shù)，W/mK。2）加熱功率為測試結果圖19為加熱功率為時，穩(wěn)固熱流工況測試中，被測介質供、回水及計算的均勻介質溫度表示圖。在最后穩(wěn)固的12小時內(nèi)，供水溫度均勻溫度為℃，回水溫度均值為℃，均勻介質溫度為℃。圖19B孔恒熱流工況溫度隨時間變化圖下列圖20為加熱功率為時，穩(wěn)固熱流工況測試中，均勻介質溫度與自然對數(shù)時間擬合圖，擬合后獲取溫度與對數(shù)時間的變化趨向T-ln(t)的斜率為k=。由上式（3）可得

=W/mK。安捷倫數(shù)據(jù)收集器測得的無擾亂地溫

=℃，可計算出鉆孔熱阻

=K/Wm，熱擴散率

=

m2/s

，利用加熱功率為的數(shù)據(jù)和式（2）、（3）進行外推，當加熱功率為時，當工況模擬達到穩(wěn)固是，平均介質溫度為℃，加熱功率為7kW時，穩(wěn)固后均勻介質溫度為37℃，當加熱功率為時，當工況模擬達到穩(wěn)固是，均勻介質溫度為℃。圖20B孔恒熱流工況溫度隨自然對數(shù)時間擬合圖3）加熱功率為測試結果圖21為加熱功率為時，穩(wěn)固熱流工況測試中，被測介質供、回水及計算的均勻介質溫度表示圖。在最后穩(wěn)固的12小時內(nèi)，供水溫度均勻溫度為℃，回水溫度均值為℃，均勻介質溫度為℃，與上計算出來加熱功率為是，均勻介質溫度℃符合，所以計算結果擁有參照價值。圖21B孔恒熱流工況溫度隨時間變化圖4）恒流法測試結果匯總表將恒溫法所得的數(shù)據(jù)進行計算，利用外推法獲取的結果匯總見表9，表顯示，因為進行測試的時間長短和溫度顛簸進度要求不一樣，測試所得的數(shù)占有很大的偏差。表9恒流法測試結果匯總表孔號均勻介質溫流量流速溫度顛簸時間段總換熱量(kW)度/℃