xx省xx市學院片區(qū)地源熱泵工程巖土熱響應(yīng)測試報告

XX省XX市學院片區(qū)地源熱泵工程巖土熱響應(yīng)測試報告XX省XX大學地源熱泵研究所二一四年五月X2巖土熱響應(yīng)測試報告一、工程概況該項目為XX省XX市學院片區(qū)（XX市學院、新華苑）地源熱泵工程，位于XX省省XX市市。本工程擬采用節(jié)能環(huán)保的土壤源熱泵系統(tǒng)，作為空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源。我所對該工程地埋管場地進行了深層巖土層熱物性測試。本次試驗進行了1個孔的測試。報告時間5月10日5月11日。二、測試概要1、測試目的地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計是地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的重點，設(shè)計出現(xiàn)偏差可能導致系統(tǒng)運行效率降低甚至無法正常運行。擬通過地下巖土熱物性測試并利用專業(yè)軟件分析，獲得地埋管區(qū)域基本的地質(zhì)資料、巖土的熱物性參數(shù)及測算的每延米地埋管換熱孔的換熱量，為地熱換熱器設(shè)計、換熱孔鉆鑿施工工藝等提供必要的基本依據(jù)。2、測試設(shè)備本工程采用XX省建筑大學地源熱泵研究所自主研制開發(fā)的型號為FZLC（）型巖土熱物性測試儀，如圖1所示。該儀器已獲得國家發(fā)明專利（ZL2008102381604。并已廣泛應(yīng)用于北京奧林匹克公園、網(wǎng)球場館、濟南奧體中心等一大批地源熱泵工程中的巖土層熱物性測試。見附件3。3、測試依據(jù)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB5036620052009年版。測試原理見附件2。X3圖1FZLC（）型巖土熱物性測試儀三、測試結(jié)果與分析1、測試孔基本參數(shù)表1為測試孔的基本參數(shù)。表1測試孔基本參數(shù)項目測試孔項目測試孔鉆孔深度（M）100鉆孔直徑（MM）150埋管形式雙U型埋管材質(zhì)PE管埋管內(nèi)徑（MM）26埋管外徑（MM）32鉆孔回填材料細沙主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)粘土與玄武巖2、測試結(jié)果測試結(jié)果見表2。循環(huán)水平均溫度測試結(jié)果與計算結(jié)果對比見圖2。測試數(shù)據(jù)見附件1。初始溫度162；導熱系數(shù)166W/M；容積比熱容21106J/M3。X43、結(jié)果分析鉆孔結(jié)果表明該地埋管區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以粘土為主。具體地質(zhì)構(gòu)造見表2。測試結(jié)果表明埋管區(qū)域的平均綜合導熱系數(shù)為166W/M，數(shù)值中等；平均容積比熱為21106J/M3，數(shù)值較大；巖土體平均初始溫度162，數(shù)值偏低，有利于夏季向地下放熱。01020304050051015202530TEMPRATURECTIMEHR測量溫度計算溫度圖2循環(huán)水平均溫度測試結(jié)果與計算結(jié)果對比圖表2測試區(qū)域巖土體地質(zhì)構(gòu)造層號層底深度（M變層厚度（M地質(zhì)巖性描述13030粘土2388粗砂3457粘土4494中砂5589粘土X5610042玄武巖四、單位孔深地埋管的換熱量與建議1影響每米孔深地埋管換熱量的因素地埋管單位孔深的熱交換量與多種因素有關(guān)。簡述如下（1）地埋管傳熱的可利用溫差，即U型埋管中的水（循環(huán)液）熱交換后允許達到的最低或最高溫度與巖土換熱前未受熱干擾時溫差。可利用溫差與地熱換熱器的設(shè)計參數(shù)有關(guān)。本報告地埋管循環(huán)液冬季最低溫度采用3，夏季熱泵運行最高溫度宜采用37。（2）每年從地下取熱量與向地下釋放熱量是否平衡。二者相差越大，對地熱換熱器換熱效率的影響越大。宜考慮全年從地下提取熱量與向地下放入熱量的平衡問題。（3）地埋管單位孔深的熱交換量還與地埋管間距、地下水位的高低和巖土層含水量多少等因素有關(guān)。2單位孔深換熱能力分析單位孔深換熱量是確定地熱換熱器容量、確定熱泵參數(shù)、選擇循環(huán)泵流量與揚程、計算地埋管數(shù)量與埋管結(jié)構(gòu)等的重要依據(jù)。單位孔深換熱量取值偏大，將導致埋管量偏小、循環(huán)液進出口溫度難以達到熱泵的要求。使系統(tǒng)達不到設(shè)計要求。反之，單位孔深換熱量取值偏小，埋管量將增加，工程的初投資增高。但熱泵機組的運行費用將會降低。在地源熱泵運行的額定工況下，針對該地域地質(zhì)條件深層巖土熱物性的測試情況、考慮到當?shù)氐販爻跏紲囟龋?62），冬、夏季地埋管循環(huán)液溫度設(shè)定（冬季73，夏季3237）等因素，在全年地埋管區(qū)域冷熱負荷基本平衡的條件下，提出地埋管方案設(shè)計時的參考建議如下入1入對于DE32雙U型地埋管，冬季每米孔深從地下提取的熱量按X645W/M計，夏季每米孔深向地下釋放的熱量按74W/M計。不同連續(xù)運行時段的U型地埋管換熱估算值見表3。在連續(xù)運行8小時，地埋管循環(huán)液不同的最低與最高溫度條件下地下?lián)Q熱量參考值見表4。表3地埋管不同連續(xù)運行時間地下?lián)Q熱量參考值（W/M）連續(xù)運行時間（H）81224夏季746964冬季454239表4地埋管循環(huán)液最低與最高溫度地下?lián)Q熱量參考值（W/M）最高溫度373532夏季換熱量746652最低溫度345冬季換熱量454136入2入鉆孔深度100M，豎直埋管材料應(yīng)采用HDPE100；鉆孔難度較大，地埋管宜采用雙U型地埋管。入3入在地埋管空間充足條件下，為增大蓄熱體、減弱地下冷熱負荷不平衡的影響，應(yīng)適當加大地埋管間距。XX省XX大學地源熱泵研究所2014512X7測試計算審核審定附件1原始測試數(shù)據(jù)1鉆孔輸入功率010203040500051015202530TIMEHRINPUTPOWERKW2鉆孔地下埋管進出口溫度01020304050051015202530TEMPERATURECTIMEHRT入X83鉆孔循環(huán)液每分鐘流量0102030405002468101214TIMEHRFLOWRATEL/MINX9附件2用于現(xiàn)場測量深層巖土導熱系數(shù)的原理與方法1巖土熱物性測試方法與分析地下巖土熱物性參數(shù)是設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)地熱換熱器的重要參數(shù)。地下巖土測試方法有很多根據(jù)地質(zhì)構(gòu)成查有關(guān)手冊、理論分析推導、取樣進行測量、以及進行現(xiàn)場直接測量。前三類方法通常誤差比較大，在實際的地源熱泵工程中幾乎無法應(yīng)用。目前通常采用第四種方法。該方法是在需要埋設(shè)地熱換熱器的地下鉆孔，鉆孔中埋入埋管后回填。通過埋管施加一定熱流，測量某點的溫度響應(yīng)與時間的變化關(guān)系，根據(jù)引入的傳熱模型，確定巖土的導熱系數(shù)。我國地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB503662005）和美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE）2007年手冊均規(guī)定在地源熱泵工程中采用此方法進行巖土熱物性測量。深層地下巖土導熱系數(shù)通常用現(xiàn)場測量結(jié)合參數(shù)估計法來確定。目前測試應(yīng)用的地熱換熱器與周圍巖土換熱模型一般較為復雜，需要確定的參數(shù)較多，導致出現(xiàn)誤差的可能性增大，非常不利于工程上推廣應(yīng)用。已有模型在確定鉆孔內(nèi)熱阻時，一般都需要較為詳細地確定鉆孔內(nèi)埋管的布置與幾何尺寸、導熱系數(shù)以及回填材料的導熱系數(shù)等。鑒于測量的困難和鉆孔內(nèi)埋管埋設(shè)的不確定性，這些參數(shù)的誤差均較大，從而影響最終確定的物性結(jié)果的可靠性。本研究所提出一個傳熱模型用于現(xiàn)場測量并確定深層巖土的導熱系數(shù)。并在此基礎(chǔ)上研制出相應(yīng)的巖土層熱物性測試儀。因減少了測量參數(shù)帶來的誤差，應(yīng)用于工程時得到的結(jié)果比其他方法更好。本研究所研制的巖土層熱物性測試儀自2002年開始應(yīng)用，并不斷改進，目前投入使用的為第三型。2測試模型與原理X10地下巖土導熱系數(shù)的測試涉及單鉆孔的地熱換熱器。簡化分析模型中引進如下假設(shè)（1）鉆孔周圍巖土是均勻（設(shè)計所需是平均參數(shù)）；（2）埋管與周圍巖土的換熱可認為是鉆孔中心的一根線熱源與周圍巖土進行換熱，沿長度方向傳熱量忽略不計；（3）埋管與周圍巖土的換熱強度維持不變（可以通過控制加熱功率實現(xiàn)）。根據(jù)上述假設(shè)，由地熱換熱器與其周圍巖土換熱的換熱方程可確定管內(nèi)流體平均溫度與深層土壤的初始溫度（也是假設(shè)的無窮遠處的土壤溫度）之間的關(guān)系可表達為10,11（1）2146BSFFLOSDCTQREIKK其中，為指數(shù)積分函數(shù)。XSDEEIDB鉆孔直徑，M；CS巖土的比熱，J/KGK；KS周圍巖土的導熱系數(shù)，W/M；QL單位長度線熱源熱流強度，W/M；RO單位長度鉆孔內(nèi)的總熱阻，M/W；TF埋管內(nèi)流體平均溫度，；TFF無窮遠處土壤溫度，；S巖土的密度，KG/M3；時間，S。在以上簡化模型中有三個未知參數(shù)，和。理論分析和測試實S0RSC踐都表明，在測試的時間范圍（數(shù)小時至數(shù)數(shù)十小時）內(nèi)鉆孔外巖土的體積熱容量SCS作為一個未知參數(shù)對循環(huán)流體的溫度變化TF的影響很小。因而通過該試驗不能較準確地確定巖土的體積熱容量SCS。但另一方面，估算X11的SCS的值的誤差對于試驗確定的RO和KS的值的影響也可以忽略。因此可以利用傳熱反問題求解。結(jié)合最優(yōu)化方法同時確定RO和KS，這樣該問題就變?yōu)镽O和KS雙參數(shù)估計問題。3測試方法與設(shè)備地下巖土的熱物性參數(shù)無法直接測量，只能通過測量溫度、熱流等相關(guān)參數(shù)并根據(jù)建立的地埋管與周圍巖土換熱模型進行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設(shè)地埋管并按設(shè)計要求回填，該鉆孔中的埋管將來可以作為地熱換熱器的一個支路使用，回路中充滿水，讓水在回路中循環(huán)流動，自某一時刻起對水連續(xù)加熱相當長的時間（數(shù)天），并測量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應(yīng)的時間，如圖3。圖3測試儀現(xiàn)場安裝示意圖本儀器由流量傳感器、電功率傳感器、溫度傳感器、泵、電加熱器、管道和主機等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。如圖4所示由于泵的作用，流體由埋管進入，流量傳感器采集其流量信號。溫度傳感器采集溫度信號（T1），流體通過泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號（T2）由傳感器采集后，再送往埋置于深層巖土中的埋管內(nèi)，在埋管內(nèi)被加熱了的流體與深層巖土進行了熱交換后，又返回到儀器X12內(nèi)，形成封閉的循環(huán)。在一定時間內(nèi)連續(xù)采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數(shù)據(jù)，再利用參數(shù)估算法求出巖土的平均導熱系數(shù)，達到測試目的。圖4巖土熱物性測試儀工作原理圖現(xiàn)場測量巖土熱物性參數(shù)是在傳熱模型的基礎(chǔ)上利用參數(shù)估計方法不斷的調(diào)整輸入未知參數(shù)，使得所期望的目標函數(shù)取得極值，此時的參數(shù)值即為所需要確定的未知參數(shù)數(shù)值。在本項目中，就是使由現(xiàn)場測得的實驗數(shù)據(jù)與通過模型計算得到的理論數(shù)據(jù)之間差異最小。取目標函數(shù)為根據(jù)模型計算的流體平均溫度值與通過現(xiàn)場實驗測量值的方差和（見式2），圖5是數(shù)據(jù)分析主程序的計算流程圖。（2）21EXP,NIIICALTF其中TCAL,I第I時刻由傳熱模型計算出的埋管中流體的平均溫度，；TEXP,I第I時刻實際測量的埋管中流體平均溫度（取出口和入口流體溫度的平均值），；N實驗測量數(shù)據(jù)的組數(shù)。X13圖5數(shù)據(jù)分析計算流程圖4現(xiàn)場測試條件（1）穩(wěn)定的220V電源，功率約為2000W。水、電供應(yīng)正常。尤其是供電電壓應(yīng)為220V，且保持穩(wěn)定。電壓較大的波動（超過正負10），將對測試結(jié)果產(chǎn)生一定影響。（2）可利用的自來水待測U型埋管安裝完畢，且U型埋管地上部分已形成DE32的供回水管路。測試前應(yīng)對U型管進行沖洗，直到管內(nèi)安裝泥渣沖洗干凈為止。U型管的充水應(yīng)干凈無污物。X14（3）現(xiàn)場測試簡易棚（擋風遮雨）。搭建測試棚與測試架。測試棚凈高度20M左右，3M3M見方。作用遮擋風雨。測試橫架（桿）18M左右，懸吊測試儀。承重50KG左右（4）晝夜的保安措施等。5熱響應(yīng)測試前的準備工作1）待測U型埋管安裝完畢，且U型埋管地上部分已形成DE32的供回水管路。2）水、電供應(yīng)正常。尤其是供電電壓應(yīng)為