×××××××××公司地埋管地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應試驗及評價報告2

1、X X X X X X X公司地埋管地源熱泵巖土熱響應試驗及評價報告XXXXXXXXXXXXXX X年X月X X日1 .工程概況2.2 .試驗測試目的2.3 .場地氣象條件、測試孔及地層條件簡介 34 .現(xiàn)場使用的巖土熱物性測試儀器及測試方法簡介 .44.1 巖土熱物性測試儀簡介 4.4.2 測試過程簡介6.4.3 測試理論7.5 . 土壤的初始平均溫度的測定9.6 .巖土比熱容計算1.07 .測試孔測試結(jié)果分析 107.1 供電電壓、循環(huán)液流流量、壓力損失與加熱時間的關系曲線 107.2 載熱流體溫度與加熱時間的關系曲線 1 17.3 測試孔土壤平均熱傳導系數(shù)的確定 .127.4 測試孔鉆孔

2、熱阻的計算1.38 .場地淺層地熱能換熱量預測 139 .結(jié)論和建議1.510 .勘察資質(zhì)證書和儀器校正證書 1.61巖土熱響應試驗及評價報告1 .工程概況擬建項目位于X xxxxxxxxxxxxx,主要由加工車間和辦公 樓組成，總建筑面積xxx平方米，擬采用節(jié)能環(huán)保的地埋管地源熱泵供熱 與制冷。在進行地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計前在現(xiàn)場布設了一眼地埋管現(xiàn)場熱 響應試驗鉆孔，鉆孔直徑為150mm深度為100nl埋設了 Dn32單U形PE 管，xxxxxxxxx (勘測單位) 對地埋管試驗孔進行了現(xiàn)場熱響應試 驗。2 .試驗測試目的(1)通過試成孔和埋管，獲得施工場地的地層分布知識，尋求合適的施

3、工方法。(2)通過現(xiàn)場測試及室內(nèi)分析，提供滿足設計施工所需的場地巖土熱物 性參數(shù)，確定巖土層換熱能力，預測淺層地熱能換熱量。(3)根據(jù)工程場區(qū)初始地溫測試結(jié)果，綜合考慮場區(qū)地形地貌、地層結(jié) 構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等因素，給出建議地層平均初始溫度。(4)根據(jù)工程場區(qū)勘查測試成果，評價場區(qū)淺層地溫資源狀況。(5)指出施工中和系統(tǒng)運行后應注意的事項。3 .場地氣象條件、測試孔及地層條件簡介山西省x x市屬暖溫帶大陸性半干旱半濕潤氣候，多年平均氣溫為10.7 C,多年平均降水量為493.9mni多年平均蒸發(fā)量為1808.9mm多年平 均風速為2.8m/s ,主導風向為北及西北風，最大風速達 17m/s,標準凍土

4、深 度為0.74m。擬建場區(qū)地貌屬山前沖洪積傾斜平原區(qū)。自然地形北高南低，最大高差7.57m,現(xiàn)場地已平整。根據(jù)熱響應試驗孔鉆探揭露，場地地層情況見圖 1。插17圖1.試驗孔鉆孔柱狀圖4.現(xiàn)場使用的巖土熱物性測試儀器及測試方法簡介4.1 巖土熱物性測試儀簡介采用xxxxxxxxx （勘測單位） 型地埋管巖土熱響應測試儀，其 原理圖見圖2。測試儀由以下部分組成：膨脹補水排氣水箱、循環(huán)水泵、流 量控制閥4、流量傳感器、電加熱器、進孔溫度傳感器、三通接頭、回水溫 度傳感器、閥門組、供電及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。該儀器主要有如下特點：1）采用三相四線制供電方式當采用單相220V供電時，如果加熱功率太大，電纜中

5、的電流就會很大， 會造成工地供電線路中的負荷不平衡，容易造成跳閘現(xiàn)象，既影響測試工作 的連續(xù)性，又影響其它設備的正常工作。而工地上一般有三相電源，采用三 相電源時，同樣的加熱功率，每相電流值只有單相供電的1/3。2 ）采用Y型連接的電阻絲加熱方式用特制的三相電阻絲加熱器加熱，三相電阻絲連接成 Y型，當線電壓為 220V時，每一相兩端施加的電壓仍為 220V。3 ）加熱功率可調(diào)當三相電源線電壓為380V時，加熱器三檔加熱功率分別為 3kW 6kWO 9 kW,通過空氣開關可自由調(diào)節(jié)。當晝夜電壓變化幅度 10%寸，通過可控硅固態(tài)調(diào)壓器可實現(xiàn)恒功率加 熱。4 ）采用自吸離心泵供水采用單相電動機驅(qū)動的

6、自吸式離心泵供水。離心泵的額定流量和揚程分 別為3m3/h和40ml通過閥門調(diào)節(jié)能保證150mffL深范圍內(nèi)的HDPE De25 De32的單U和雙U形管排氣和測量對流量的要求。5 ）流量可調(diào)根據(jù)不同的埋管直徑、方式和深度，測試時，調(diào)節(jié)閥門4的開閉程度可將流量調(diào)節(jié)到所要求的流量值。6）流量采用精度等級為0.5級、帶變送器的電磁流量計測量。7）給水與回水溫度采用高精度 DS18B2O字溫度傳感器測量。8 ）加熱功率采用精度等級為0.5級的三相有功功率傳感器測量。9 ）水泵功率采用精度等級為0.5級的單相有功功率傳感器測量。10）測量數(shù)據(jù)可實時顯示并可實時記錄在 U盤中。插片圖2. GP-3巖土熱

7、物性測試儀工作原理圖試驗前對溫度傳感器進行矯正，以 050 c的精密水銀溫度計為基準，誤 差小于士 0.1 C。試驗前和試驗后，對流量傳感器采用體積法進行校正。設置 不同的揚程值，并固定該值，將按泵送的水的體積除以泵送時間所得流量與 儀器采集流量進行對比，流量計的誤差小于 1%4.2 測試過程簡介試驗孔靜置時間：當采用原漿+膨潤土 +砂完成測試孔回填后，應放置至 少48h以上，再進行巖土熱響應試驗，其目的有兩點：一是使回填料在鉆孔 內(nèi)充分地沉淀密實，二是使鉆孔內(nèi)溫度逐漸恢復至與周圍巖土初始溫度一 致；當采用水泥作為回填材料時，由于水泥在水化過程中會出現(xiàn)緩慢放熱， 測試孔應放置足夠長的時間（宜為

8、十天），以保證測試孔內(nèi)溫度恢復至與周 圍巖土初始溫度一致。本工程為鉆孔原漿 +砂回填，故完成鉆孔下管和鉆孔回 填后48小時即可開始測試。本工程實際鉆孔靜置時間為 4天。管路連接：若為單U形管，直接將U型管的兩個接頭接入測試儀的進水 接口和出水接口。若為雙 U形管，則通過三通接頭，將兩根埋入鉆孔之中的 U形管并聯(lián)接入測試儀的進水接口和回水接口之間。排氣：關閉閥門1和閥門4,打開閥門2和閥門3,以最大的泵量排出儀 器內(nèi)部管道和U形管中的空氣和雜質(zhì)。地層平均初始溫度測量：在不打開電加熱器的情況下，關閉閥門 3和閥 門4,打開閥門1和閥門2,水不通過水箱，在管路中閉式循環(huán)半個小時以 上，進孔溫度傳感器

9、和回水溫度傳感器測出的溫度平均值，即為埋管深度范 圍內(nèi)地層原始溫度平均值。正常測試：打開閥門1和2,關閉球閥3,調(diào)節(jié)閥門4將循環(huán)于U形管中 的循環(huán)水流量調(diào)節(jié)到需要值，對于 De32單U型管，循環(huán)水流量控制在1145L/h左右。打開加熱器，加熱48小時以上，U盤自動數(shù)據(jù)采集時間間隔 為5分鐘，手工數(shù)據(jù)采集間隔為20分鐘。為減少熱量損失，測試儀中所有管道，包括流量計、泵、加熱器、溫度 傳感器以及閥門等全部用壁厚20mm勺橡塑管包裹，測試儀外殼內(nèi)側(cè)粘貼有橡 塑板。連接測試儀與鉆孔內(nèi)U形管之間的水平管長度約1.5米，外套壁厚 20mm勺橡塑管保溫。測t現(xiàn)場照片見圖 3。插入圖片圖3.現(xiàn)場測試照片4.3

10、 測試理論1)線熱源理論采用線熱源理論，假定鉆孔周圍土體傳熱為純傳導方式。土體為各向同 性的均質(zhì)體，當系統(tǒng)加熱功率恒定時，載熱流體平均溫度Tf(t)可表示為:插入公式(1)式中：Tf(t)一載熱流體的平均溫度，C;qc 加熱試驗時單位長度鉆孔的加熱量，W/m ;T3a 一 土壤初始溫度，C ;入一土壤熱傳導系數(shù)，W/（ mC）；t 加熱時間，s;% 一鉆孔半徑，m;R 一鉆孔熱阻，C /（W/m）尸一歐拉常數(shù)，0.5772;a一熱擴散率，m2/s； o（=%/PCm, p為土壤密度，kg/m3; Cm為土壤的比熱，J/（kgC）；2）用線熱源理論，通過試驗求土壤的熱傳導系數(shù)s加熱功率恒定時，（

11、1）時可簡寫為：插入公式（2）式中：插入說明（2）式表明，載熱流體的平均溫度與加熱時間的自然對數(shù)成正比，故只 需根據(jù)測試結(jié)果作出載熱流體平均溫度與時間對數(shù)的關系曲線（理論上為直 線），確定該曲線的斜率k,即可按下式求出土壤的熱傳導系數(shù)。插入公式（3）3）用線熱源理論，通過試驗求鉆孔熱阻 Rb測求出 '后，根據(jù)（2）式中（插入公式）得：插入公式（4）4）單位深度鉆孔散熱量和取熱量計算換熱孔的換熱量是與換熱管內(nèi)的流體特性、換熱管的材料特性、周圍土 壤的土質(zhì)、土壤的賦水情況、地下水是否流動、回填料的特性、土壤的原始 溫度和換熱管內(nèi)流體的溫度等諸多因數(shù)有關，這些因素都直接影響著整個土 壤換熱器

12、的換熱能力，由于地下土壤結(jié)構(gòu)及分布比較復雜，只有通過測出試 驗孔的綜合傳熱系數(shù) =旦后，再根據(jù)工程資料以及已知參數(shù)，進行詳細 4二 k計算。5 . 土壤的初始平均溫度q的測定進行熱響應測試前，首先對地埋管深度范圍內(nèi)土壤的初始平均溫度進行 測試，為地下?lián)Q熱器的設計提供參數(shù)。在測試之前，埋入鉆孔中的 U形管內(nèi)已事先灌滿了自來水，且已等待了 4 天以上，U形管中的水溫與地溫相互達到了平衡狀態(tài)，但其溫度隨著深度的 不同略有變化，土壤的初始平均溫度為鉆孔埋管深度范圍內(nèi)土壤溫度的平均 值。測試時，將測試儀與鉆孔中的 U形管相連，開啟循環(huán)泵，先排除管路連 接時混入管路中的空氣，然后在不開加熱器的條件下維持水

13、的循環(huán)，一直到 循環(huán)管路中的水溫趨于恒定，此溫度即為地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)土壤的初始 平均溫度。1號測試孔土壤初始平均溫度測試時水溫隨時間變化的關系曲線 如圖4所示。插入片圖4.測試孔土壤初始溫度測試時水溫的時間響應曲線圖由圖4可見，1號試驗孔的土壤初始平均溫度可取為x x x x C6 .巖土比熱容計算 巖土比熱容是根據(jù)巖土樣的天然密度、含水量和干密度等巖土參數(shù)進行計算的，根據(jù)經(jīng)驗，場地埋管深度范圍內(nèi)土壤的平均比熱容可取為2.65 X 103kJ/(m 3K)。7 .測試孔測試結(jié)果分析7.1 供電電壓、循環(huán)液流流量、壓力損失與加熱時間的關系曲線完成了鉆孔埋管土壤初始平均溫度測試后，開啟加熱器進

14、行鉆孔埋管熱 響應試驗。進行熱響應試驗時，測試孔供電電壓、循環(huán)液流流量、流體在地 埋管內(nèi)流動時的壓力損失隨加熱時間的關系曲線見圖5。試驗孔加熱試驗時，供電電壓的波動情況統(tǒng)計結(jié)果見表 1,表2為熱響應試驗時，PE管內(nèi)載 熱流體的平均總流量和流體在PE管內(nèi)的流速和壓力損失，流速值符合地源 熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范要求。表1.熱響應試驗時供電線電壓波動情況統(tǒng)計結(jié)果試驗孔號測試時間平均值(V)范圍值(V)正偏差(%)負偏差()1#試驗孔397376-4123.785.29表2.熱響應試驗時平均流量與流速試驗孔號測試時間a# (L/h)流速(m/s)壓力損失(kPa)備注1#試驗孔13150.687332

15、單 500,表2表明試驗孔試驗時電壓負偏差略大于 5%電壓基本穩(wěn)定，符合地 源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范要求。插入圖片圖5.測試孔測試時供電電壓、流量、壓力損失隨時間變化曲線7.2 載熱流體溫度與加熱時間的關系曲線圖6為測試孔進孔水溫、出孔水溫及平均水溫與加熱時間的關系曲線。 在恒功率熱響應試驗基本穩(wěn)定后，試驗孔的載熱流體進孔與出孔溫度平均值 見表3。表3.熱響應試驗24小時時各試驗孔液流平均溫度試驗孔編號1號試驗孔液流平均溫度（C）34.30測試時間2014.11.19插入圖片圖6.載熱流體溫度隨加熱時間的變化曲線7.3 測試孔土壤平均熱傳導系數(shù)的確定測試孔的流體平均溫度與時間（以秒為單位）的對數(shù)

16、關系曲線如圖7所示。插入圖片圖7.測試孔的流體平均溫度與時間的對數(shù)關系曲線測試孔加熱6個小時（x=21600s）后進出孔平均溫度與加熱時間（以秒 為單位）的對數(shù)之間回歸直線方程（圖7）的斜率、截距、按（1）式計算的熱 擴散率和按（3）式計算的導熱系數(shù)見表4。表4.熱響應試驗半對數(shù)曲線回歸直線的斜率、截距及各孔土壤平均導熱系數(shù)試驗孔號每延米鉆孔加熱量（w/m斜率K截距b土壤平均導熱系數(shù) K（W/Km）土壤平均熱擴散率 a （10 -6m2/s）1#試驗孔64.982.85521.92591.8110.68347.4 測試孔鉆孔熱阻的計算由（2）式得：XXXXXXXXX公式式中：N歐拉常數(shù)，為0.

17、5772; %為鉆孔半徑，將已知數(shù)代入上 式，得出的各試驗孔的鉆孔熱阻值見表 5。表5.鉆孔熱阻試驗孔編號1號試驗孔鉆孔熱阻Rb（KmW）0.1848 .場地淺層地熱能換熱量預測設試驗工況時，載熱流體的平均溫度為 Tf試驗，單位散熱量為qc試驗，則根據(jù)（1）式可得試驗工況時載熱流體平均溫度Tf試驗滿足下式：xxxxxxxxx 公式（5）設，釋熱工作工況時，載熱流體的平均溫度為 Tf max ,單位釋熱量為q濡熱，則根據(jù)（1）式可得釋熱工作工況時載熱流體平均溫度Tfmax應滿足下式：XXXXXXXXX 公式（6）在地源熱泵載熱流體平均溫度變化范圍內(nèi)，土體的熱傳導系數(shù)九、鉆孔熱阻Rb、土壤熱擴散率

18、"變化很小，可忽略不計，而鉆孔半徑小歐拉常數(shù)不 又為常數(shù)。故將（6）式除以（5）式有：XX XX XX XXX公式（7）由（7）式可得釋熱工作工況時，單位孔深釋熱量為：XX XX XX XXX公式（8）式中：q&式臉一試驗工況時載熱流體的單位孔深釋熱量 W/m cq漕熱一釋熱工作工況時載熱流體的單位孔深釋熱量W/mTf試驗一載熱流體試驗工況時的平均溫度；Tfmax 一載熱流體釋熱工作工況時的平均溫度；T二一土壤的初始溫度。設取熱工作工況時，載熱流體的平均溫度為 Tfmin ,單位釋熱量為qh取熱，則根據(jù)（1）式可得取熱工作工況時載熱流體平均溫度 Tfmin應滿足下式：XXXXXXXXX 公式（9）與推導（8）式同理，將（9）式除以（5）式有：XXX XX XX XX公式（10）由（10）式可得取熱工作工況時，單位孔深取熱量為：XXXXXXXX X 公式（11）按（11）式計算的取熱量為負值，一般習慣用其絕對值表示。xxxxxxX公司地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬天取熱工況：載熱流體中不加防凍劑，溫度取值為25 C ,即Tf min = 3.5 C ;夏天釋熱工況載熱流體溫度取值為 3631 C ,即Tfmax=33.5 C。按