×××××××××公司地埋管地源熱泵系統(tǒng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)報(bào)告2

1、xxxxxxx公司地埋管地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)報(bào)告XXXXXXXXXXXxxxx年X月XX日 1.工程概況2.試驗(yàn)測(cè)試目的2.3.場(chǎng)地氣象條件、測(cè)試孔及地層條件簡(jiǎn)介4.現(xiàn)場(chǎng)使用的巖土熱物性測(cè)試儀器及測(cè)試方法簡(jiǎn)介4.1巖土熱物性測(cè)試儀簡(jiǎn)介4.2測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)介6.4.3測(cè)試?yán)碚?. 土壤的初始平均溫度Tc的測(cè)定.9.6.巖土比熱容計(jì)算107.測(cè)試孔測(cè)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(shí)間的關(guān)系曲線107.2載熱流體溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線7.3測(cè)試孔土壤平均熱傳導(dǎo)系數(shù)的確定127.4測(cè)試孔鉆孔熱阻的計(jì)算138.場(chǎng)地淺層地?zé)崮軗Q熱量預(yù)測(cè)139.結(jié)論和建議1510.勘察資質(zhì)

2、證書和儀器校正證書16 xxxxxxx公司地埋管地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)報(bào)告工程概況擬建項(xiàng)目位于xxxxxxxxxxxxxx，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(jìn)行地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)了一眼地埋管現(xiàn)場(chǎng)熱 響應(yīng)試驗(yàn)鉆孔，鉆孔直徑為150mm深度為100m埋設(shè)了 Dn32單U形PE 管，xxxxxxxxx(勘測(cè)單位) 對(duì)地埋管試驗(yàn)孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試 驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試目的(1)通過(guò)試成孔和埋管，獲得施工場(chǎng)地的地層分布知識(shí)，尋求合適的施 工方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及室內(nèi)分析，提供滿足設(shè)計(jì)施工所需的場(chǎng)地巖土熱物性參數(shù)，確定巖

3、土層換熱能力，預(yù)測(cè)淺層地?zé)崮軗Q熱量。根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)初始地溫測(cè)試結(jié)果，綜合考慮場(chǎng)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。根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)勘查測(cè)試成果，評(píng)價(jià)場(chǎng)區(qū)淺層地溫資源狀況。(5)指出施工中和系統(tǒng)運(yùn)行后應(yīng)注意的事項(xiàng)。場(chǎng)地氣象條件、測(cè)試孔及地層條件簡(jiǎn)介山西省XX市屬暖溫帶大陸性半干旱半濕潤(rùn)氣候，多年平均氣溫為 10.7 C，多年平均降水量為493.9mm多年平均蒸發(fā)量為1808.9mm多年平均風(fēng)速為2.8m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸奔拔鞅憋L(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)17m/s，標(biāo)準(zhǔn)凍土深 度為0.74m。擬建場(chǎng)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(chǎng)地已平整。根據(jù)熱

4、響應(yīng)試驗(yàn)孔鉆探揭露，場(chǎng)地地層情況見圖1。圖1.試驗(yàn)孔鉆孔柱狀圖現(xiàn)場(chǎng)使用的巖土熱物性測(cè)試儀器及測(cè)試方法簡(jiǎn)介4.1巖土熱物性測(cè)試儀簡(jiǎn)介采用XXXXXXXXX（勘測(cè)單位） 型地埋管巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀，其 原理圖見圖2。測(cè)試儀由以下部分組成：膨脹補(bǔ)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(jìn)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(diǎn):1）采用三相四線制供電方式當(dāng)采用單相220V供電時(shí)，如果加熱功率太大，電纜中的電流就會(huì)很大, 會(huì)造成工地供電線路中的負(fù)荷不平衡，容易造成跳閘現(xiàn)象，既影響測(cè)試工作1/3。的連續(xù)性，又影響其它設(shè)備的正常工作。而

5、工地上一般有三相電源，采用三 相電源時(shí)，同樣的加熱功率，每相電流值只有單相供電的）采用丫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，三相電阻絲連接成丫型，當(dāng)線電壓為220V時(shí)，每一相兩端施加的電壓仍為 220V。）加熱功率可調(diào)當(dāng)三相電源線電壓為380V時(shí),加熱器三檔加熱功率分別為 3kW 6kW和9 kW,通過(guò)空氣開關(guān)可自由調(diào)節(jié)。當(dāng)晝夜電壓變化幅度 10%寸,通過(guò)可控硅固態(tài)調(diào)壓器可實(shí)現(xiàn)恒功率加熱。）采用自吸離心泵供水采用單相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的自吸式離心泵供水。離心泵的額定流量和揚(yáng)程分 別為3m/h和40m通過(guò)閥門調(diào)節(jié)能保證150m孔深范圍內(nèi)的HDPE De25De32的單U和雙U形管排氣和測(cè)

6、量對(duì)流量的要求。)流量可調(diào)根據(jù)不同的埋管直徑、方式和深度，測(cè)試時(shí)，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)7)流量采用精度等級(jí)為0.5級(jí)、帶變送器的電磁流量計(jì)測(cè)量。給水與回水溫度采用高精度 DS18B2(數(shù)字溫度傳感器測(cè)量。加熱功率采用精度等級(jí)為0.5級(jí)的三相有功功率傳感器測(cè)量。水泵功率采用精度等級(jí)為0.5級(jí)的單相有功功率傳感器測(cè)量。10)測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示并可實(shí)時(shí)記錄在 U盤中。圖2. GP-3巖土熱物性測(cè)試儀工作原理圖試驗(yàn)前對(duì)溫度傳感器進(jìn)行矯正，以050 C的精密水銀溫度計(jì)為基準(zhǔn)，誤差小于士 0.1C。試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，對(duì)流量傳感器采用體積法進(jìn)行校正。設(shè)置 不同的揚(yáng)程值，并固

7、定該值，將按泵送的水的體積除以泵送時(shí)間所得流量與儀器采集流量進(jìn)行對(duì)比，流量計(jì)的誤差小于1% 4.2測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)介試驗(yàn)孔靜置時(shí)間：當(dāng)采用原漿+膨潤(rùn)土 +砂完成測(cè)試孔回填后，應(yīng)放置至 少48h以上，再進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，其目的有兩點(diǎn)：一是使回填料在鉆孔 內(nèi)充分地沉淀密實(shí)，二是使鉆孔內(nèi)溫度逐漸恢復(fù)至與周圍巖土初始溫度一 致；當(dāng)采用水泥作為回填材料時(shí)，由于水泥在水化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)緩慢放熱, 測(cè)試孔應(yīng)放置足夠長(zhǎng)的時(shí)間（宜為十天），以保證測(cè)試孔內(nèi)溫度恢復(fù)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(shí)即可開始測(cè)試。本工程實(shí)際鉆孔靜置時(shí)間為4天。管路連接：若為單U形管，

8、直接將U型管的兩個(gè)接頭接入測(cè)試儀的進(jìn)水 接口和出水接口。若為雙 U形管，則通過(guò)三通接頭，將兩根埋入鉆孔之中的U形管并聯(lián)接入測(cè)試儀的進(jìn)水接口和回水接口之間。排氣：關(guān)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(cè)量：在不打開電加熱器的情況下，關(guān)閉閥門3和閥 門4,打開閥門1和閥門2,水不通過(guò)水箱，在管路中閉式循環(huán)半個(gè)小時(shí)以 上，進(jìn)孔溫度傳感器和回水溫度傳感器測(cè)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(cè)試：打開閥門1和2,關(guān)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(duì)于 De32單U型管，循環(huán)水

9、流量控制在1145L/h左右。打開加熱器，加熱48小時(shí)以上，U盤自動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)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(cè)試儀中所有管道，包括流量計(jì)、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(cè)試儀外殼內(nèi)側(cè)粘貼有橡塑板。連接測(cè)試儀與鉆孔內(nèi)U形管之間的水平管長(zhǎng)度約1.5米，外套壁厚 20mm勺橡塑管保溫。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片見圖 3。片圖3.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片4.3測(cè)試?yán)碚?)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(dǎo)方式。土體為各向同性的均質(zhì)體，當(dāng)系統(tǒng)加熱功率恒定時(shí)，載熱流體平均溫度Tf(t)可表示為:插入公式(1)式中：Tf(t)載熱流體的平均溫度，C

10、;qc 加熱試驗(yàn)時(shí)單位長(zhǎng)度鉆孔的加熱量， W/m ;Tc 土壤初始溫度，C;人土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（ mC）；t 加熱時(shí)間,s；rb 鉆孔半徑，m;Rb 鉆孔熱阻，C /(W/m)Y歐拉常數(shù),a 熱擴(kuò)散率，0.5772;m2/s; a =兀s/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(guò)試驗(yàn)求土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)As加熱功率恒定時(shí),（1）時(shí)可簡(jiǎn)寫為:插入公式式中：插入說(shuō)明（2）式表明，載熱流體的平均溫度與加熱時(shí)間的自然對(duì)數(shù)成正比，故只 需根據(jù)測(cè)試結(jié)果作出載熱流體平均溫度與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)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

11、土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)。插入公式3）用線熱源理論，通過(guò)試驗(yàn)求鉆孔熱阻 Rb測(cè)求出嘰后，根據(jù)（2）式中（插入公式）得:插入公式4）單位深度鉆孔散熱量和取熱量計(jì)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(dòng)、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(guān)，這些因素都直接影響著整個(gè)土 壤換熱器的換熱能力，由于地下土壤結(jié)構(gòu)及分布比較復(fù)雜，只有通過(guò)測(cè)出試驗(yàn)孔的綜合傳熱系數(shù)后，再根據(jù)工程資料以及已知參數(shù)，進(jìn)行詳細(xì) 計(jì)算。土壤的初始平均溫度Lc的測(cè)定進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試前，首先對(duì)地埋管深度范圍內(nèi)土壤的初始平均溫度進(jìn)行 測(cè)試，為地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)

12、提供參數(shù)。在測(cè)試之前，埋入鉆孔中的U形管內(nèi)已事先灌滿了自來(lái)水，且已等待了 4 天以上，U形管中的水溫與地溫相互達(dá)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(cè)試時(shí)，將測(cè)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(shí)混入管路中的空氣，然后在不開加熱器的條件下維持水的循環(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(hào)測(cè)試孔土壤初始平均溫度測(cè)試時(shí)水溫隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線 如圖4所示。片圖4.測(cè)試孔土壤初始溫度測(cè)試時(shí)水溫的時(shí)間響應(yīng)曲線圖由圖4可見，1號(hào)試驗(yàn)孔的土壤初始平均溫度可取為x

13、xxxCo6 .巖土比熱容計(jì)算32.65 x 10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(jìn)行計(jì)算 的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)地埋管深度范圍內(nèi)土壤的平均比熱容可取為3kJ/(m K)。測(cè)試孔測(cè)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(shí)間的關(guān)系曲線完成了鉆孔埋管土壤初始平均溫度測(cè)試后，開啟加熱器進(jìn)行鉆孔埋管熱響應(yīng)試驗(yàn)。進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試孔供電電壓、循環(huán)液流流量、流體在地埋管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的壓力損失隨加熱時(shí)間的關(guān)系曲線見圖5。試驗(yàn)孔加熱試驗(yàn) 時(shí)，供電電壓的波動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1，表2為熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，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

14、 熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范要求。表1.熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)供電線電壓波動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果試驗(yàn)孔號(hào)測(cè)試時(shí)間平均值(V)范圍值(V)正偏差(%)負(fù)偏差(%)1#試驗(yàn)孔397376-4123.785.29表2.熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)平均流量與流速試驗(yàn)孔號(hào)測(cè)試時(shí)間流量(L/h)流速(m/s)壓力損失(kPa)備注1#試驗(yàn)孔13150.687332單uT00m表2表明試驗(yàn)孔試驗(yàn)時(shí)電壓負(fù)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。圖5.測(cè)試孔測(cè)試時(shí)供電電壓、流量、壓力損失隨時(shí)間變化曲線7.2載熱流體溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線圖6為測(cè)試孔進(jìn)孔水溫、出孔水溫及平均水溫與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線。在恒功率熱響應(yīng)試驗(yàn)基本穩(wěn)定后

15、，試驗(yàn)孔的載熱流體進(jìn)孔與出孔溫度平均值 見表3。表3.熱響應(yīng)試驗(yàn)24小時(shí)時(shí)各試驗(yàn)孔液流平均溫度試驗(yàn)孔編號(hào)1號(hào)試驗(yàn)孔液流平均溫度C)34.30測(cè)試時(shí)間2014.11.19插片圖6.載熱流體溫度隨加熱時(shí)間的變化曲線7所示。7.3測(cè)試孔土壤平均熱傳導(dǎo)系數(shù)的確定 測(cè)試孔的流體平均溫度與時(shí)間（以秒為單位）的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線如圖圖7.測(cè)試孔的流體平均溫度與時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線測(cè)試孔加熱6個(gè)小時(shí)（x=21600s）后進(jìn)出孔平均溫度與加熱時(shí)間（以秒為單位）的對(duì)數(shù)之間回歸直線方程（圖7）的斜率、截距、按（1）式計(jì)算的熱 擴(kuò)散率和按（3）式計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)見表4。表4.熱響應(yīng)試驗(yàn)半對(duì)數(shù)曲線回歸直線的斜率、截距及各孔土壤平

16、均導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)孔號(hào)每延米鉆孔加熱量（W/m）斜率K截距b土壤平均導(dǎo)熱系數(shù) K(W/Km)土壤平均熱擴(kuò)散6 2率 a （10- m/s）1#試驗(yàn)孔64.982.85521.92591.8110.68347.4測(cè)試孔鉆孔熱阻的計(jì)算由（2）式得:XXXXXXXXX公式式中：Y歐拉常數(shù)，為0.5772 ; rb為鉆孔半徑，將已知數(shù)代入上式，得出的各試驗(yàn)孔的鉆孔熱阻值見表 5。表5.鉆孔熱阻試驗(yàn)孔編號(hào)1號(hào)試驗(yàn)孔鉆孔熱阻Rb（KmW）0.184場(chǎng)地淺層地?zé)崮軗Q熱量預(yù)測(cè)設(shè)試驗(yàn)工況時(shí)，載熱流體的平均溫度為Tf試驗(yàn)，單位散熱量為qc試驗(yàn)，則根據(jù)（1）式可得試驗(yàn)工況時(shí)載熱流體平均溫度Tf試驗(yàn)滿足下式:(5)XXX

17、XXXXXX公式設(shè)，釋熱工作工況時(shí)，載熱流體的平均溫度為Tfmax，單位釋熱量為qc釋熱，則根據(jù)（1）式可得釋熱工作工況時(shí)載熱流體平均溫度Tfmax應(yīng)滿足下式:XXXXXXXXX公式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(dǎo)系數(shù)rb、歐拉常數(shù)丫熱阻Rb、土壤熱擴(kuò)散率a變化很小，可忽略不計(jì)，而鉆孔半徑 又為常數(shù)。故將（6）式除以（5）式有:XXXXXXXXX公式由（7）式可得釋熱工作工況時(shí)，單位孔深釋熱量為:式中:XXXXXXXXX公式(8)qc試驗(yàn)一試驗(yàn)工況時(shí)載熱流體的單位孔深釋熱量W/mqc釋熱一釋熱工作工況時(shí)載熱流體的單位孔深釋熱量W/mTf試驗(yàn)一載熱流體試驗(yàn)工況時(shí)的平均溫度;Tf

18、max 載熱流體釋熱工作工況時(shí)的平均溫度;Tc土壤的初始溫度。設(shè)取熱工作工況時(shí)，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(shí)載熱流體平均溫度 Tfmin應(yīng)滿足下式:XXXXXXXXX公式與推導(dǎo)（8）式同理，將（9）式除以（5）式有:XXXXXXXXX公式(10)由（10）式可得取熱工作工況時(shí)，單位孔深取熱量為:XXXXXXXXX公式(11)按（11）式計(jì)算的取熱量為負(fù)值，一般習(xí)慣用其絕對(duì)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25C,即Tfmin =3.5 C;夏天釋熱工況載熱流體溫度取值為 3631 C，即Tf max =33.5 C。按（8）式和（11