地源熱泵空調(diào)工程熱響應(yīng)測試報告

地源熱泵空調(diào)工程巖土層熱響應(yīng)測試報告2009年月日目錄TOC\o"1-5"\h\z一、測試項目概況1二、熱響應(yīng)實驗?zāi)康?三、熱響應(yīng)實驗依據(jù)13.1測試原理13.2測試平臺1四、熱響應(yīng)實驗工程概況24.1測試井定位24.2測試井參數(shù)24.3測試實驗臺搭建24.4測試平臺誤差控制24.5測試過程3五、數(shù)據(jù)整理與分析31巖土層結(jié)構(gòu)與傳熱分析32測試數(shù)據(jù)整理45.2.1土壤平均原始溫度45.2.2模擬實驗數(shù)據(jù)43測試數(shù)據(jù)分析75.3.1巖土層導(dǎo)熱系數(shù)75.3.2埋管換熱器熱阻計算85.3.3單孔換熱量計算9六、測試結(jié)果與建議111鉆孔深度與鉆孔難易程度112測試數(shù)據(jù)整理與分析114.4.5測試依據(jù)一、測試項目概況本工程位于*市：為把該項目打造為節(jié)能示范項目，擬采用目前國際先進(jìn)、節(jié)能高效、綠色壞保的空調(diào)系統(tǒng)一土壤熱泵系統(tǒng)作為建筑空調(diào)的冷熱源，實現(xiàn)節(jié)能減排。二、熱響應(yīng)實驗?zāi)康耐寥涝礋岜孟到y(tǒng)的設(shè)計，主要就是土壤型熱交換器的設(shè)計。由于土壤源熱泵設(shè)計的特殊性,需要為后期進(jìn)行地卜?換熱器系統(tǒng)設(shè)計提供比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，因此在設(shè)計前期必須對該工程所在地做土壤的熱響應(yīng)測試實驗。本測試實驗的主要目的是通過實際測試孔勘查地質(zhì)情況，并通過測試獲取該處的巖土熱物性，特別是導(dǎo)熱系數(shù)，從而獲得土壤換熱器的冬夏取放熱量，為項目決策和設(shè)計提供參考。三、熱響應(yīng)實驗依據(jù)3?1測試原理土壤型熱交換器的設(shè)計，最主要就是確定地層土壤的平均導(dǎo)熱系數(shù)，平均導(dǎo)熱系數(shù)包含了土壤（巖石）、回填料以及塑料管壁等導(dǎo)熱的綜合情況。根據(jù)線熱源理論，在恒定熱流密度時,線熱源溫度與時間有待定的函數(shù)關(guān)系，模擬測試中我們設(shè)定固定電加熱量，模擬恒熱流密度工況，記錄測試中埋管進(jìn)出水溫度。由模擬值與測試值對比町計算出土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)，再根據(jù)地源熱泵規(guī)范的熱阻計算方法計算熱阻，從而計算出埋管換熱量指標(biāo)。3?2測試平臺該測試平臺運(yùn)行方式如卞：將儀器的水路循壞部分與所要測試換熱孔內(nèi)的HDPE管路相連接，形成閉式環(huán)路，通過儀器內(nèi)的微型循壞水泵驅(qū)動壞路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，同時儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱壞路中的液體，加熱器所產(chǎn)生的熱屋就不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地卞。在閉式壞路內(nèi)的液體循壞的過程中，將進(jìn)/出儀器的溫度、流屋和加熱器的加熱功率進(jìn)行采集記錄，來進(jìn)行分析計算土壤的熱物性參數(shù)。四、熱響應(yīng)實驗工程概況4.1測試井定位測試井兩1丨，考慮到測試實用，測試井選擇設(shè)置在裝機(jī)附近。4.2測試井參數(shù)實驗井1#2#形式單U型單U型垂直井深（m）8080垂直管長（m）160160回填材料膨潤土與細(xì)沙安裝方法機(jī)械自重下管井11直徑（mm）130130PE管外徑（mm）3232內(nèi)徑（mm）2525高密度聚乙烯管HDPE連接管供水管段（m）43回水管段（m）43連接全管長（m）86保溫材料20mm厚橡塑保溫材料4.3測試實驗臺搭建試驗臺安裝在自帶的帳篷內(nèi)，通過連接管道與地埋管構(gòu)成循壞系統(tǒng)。實驗進(jìn)水溫度由實驗臺配備的熱泵和電加熱器保證，溫度和流屋傳感器均連接于測試臺內(nèi)，用于測試的控制計算機(jī)與測試臺的CEP控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊之間的采用Ethernet高速通信線路連接，以實現(xiàn)實用自動測量。4.4測試平臺誤差控制為了確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，在實驗前對溫度傳感器和流量傳感器進(jìn)行了標(biāo)定和校正。對溫度傳感器的標(biāo)定實驗室在水浴中進(jìn)行的，以精確度為0.1°C的精密水銀溫度計為基準(zhǔn)，校正的溫度區(qū)間為O'40'C,覆蓋傳熱實驗的整個溫度區(qū)間。流量計的校正以實驗臺的循環(huán)水為對彖，使用變頻器提不同的供水流量，在水壓穩(wěn)定后，采用稱重法和體枳法兩種方法，進(jìn)行對比標(biāo)定，實驗發(fā)現(xiàn)，在0.4遼m3/h的流量區(qū)間內(nèi)，該實驗臺使用的兩臺流量計的最人誤差為1.6%。綜合溫度測量和流量測屋的精度，該實驗臺的最人測量誤差3%?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005（2009年版）M血囂邑虧江瞬臨究啞AAGREENBUILDINGRESEARCHCENTER4.5測試過程第一步、保證在整個實驗過程中都必須有足夠的電力供應(yīng)，將實驗平臺與控制柜通電；熱響應(yīng)實驗現(xiàn)場用電負(fù)荷：約為lOkwo第二步、將準(zhǔn)備好的絕緣軟管與實驗設(shè)備連接起來，將軟管保溫，以免影響實驗效果。第三步、通過注水管向?qū)嶒炏到y(tǒng)中注水，保障系統(tǒng)運(yùn)行的注水壓力。第四步、在將實驗系統(tǒng)中的空氣排盡后啟動循環(huán)泵，當(dāng)流速穩(wěn)定趨于恒定后，開啟電加熱器，正式開始熱響應(yīng)實驗，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，必須保證電源的穩(wěn)定，使數(shù)據(jù)能夠連續(xù)不間斷采集。第五步、埋管數(shù)據(jù)采集。測試采用計算機(jī)數(shù)據(jù)采集，每隔30s采集一次數(shù)據(jù)，每隔2個小時自動存儲一次數(shù)據(jù)，測試應(yīng)記錄進(jìn)出水溫度、循環(huán)水流量、壓力等測試相關(guān)數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)整理與分析5.1巖土層結(jié)構(gòu)與傳熱分析在鉆孔的過程中，每隔一定深度采集地質(zhì)樣品，分析地質(zhì)成分，為回填料的配置提供依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場勘查的結(jié)呆，地質(zhì)情況如下：表2地層詳細(xì)構(gòu)成1表土0-2米2粘土2-15.8米3泥巖15.8-30米4低風(fēng)化泥巖30-65米5微風(fēng)化泥巖65-80米5.2.25.2.2物實54321098722222211165432101202403605432109872222221116543210120240360GREENBUILDINGRESEARCHCENTER粘土隨著含水雖不同導(dǎo)熱系變化范圍為1.0-1.9w/（m<k）,經(jīng)過計算，不同層導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)平均值為1.74085W（m*k）.（參老《中國地源熱泵發(fā)展研究報告（2008）》，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》）5.2測試數(shù)據(jù)整理5.2.1土壤平均廉始溫度一二號井原始溫度記錄土壤原始溫度測試實驗時間/30s土壤廉始溫度測試測試裝迓在電加熱開啟之前，使水泵啟動循環(huán)一段時間，（時間推薦值為2?Sh,主要看埋皆進(jìn)出水溫是否穩(wěn)定，各個項目實驗時間有差異），觀窸流體進(jìn)出口溫度，溫度達(dá)到穩(wěn)定的時候，出口溫度即為土壤平均溫度，本項目5h后，埋皆進(jìn)出水溫度穩(wěn)定可認(rèn)為土壤原始溫度為19.7'C.將儀器的水跑循環(huán)部分與所要測試換熱孔內(nèi)的HDPE皆路相連接，形成閉式環(huán)路.開啟

GREENBUILDINGRESEARCHCENTER循環(huán)水泵驅(qū)動環(huán)跑內(nèi)的液體不晰循環(huán)，同時開啟儀器內(nèi)的加熱器，電加熱功聿保證恒定，記錄埋管進(jìn)出水溫度，流呈等參數(shù).樓擬實驗的埋■進(jìn)出水a(chǎn)ut變化曲線一號井進(jìn)出水溫度記錄圖表樓擬實驗的埋■進(jìn)出水a(chǎn)ut變化曲線12120024003600<1800時ffl/30s6000120024003600<1800時ffl/30s60000二號井進(jìn)出水溫度記錄圖表樓擬實驗的埋管進(jìn)出水鎧度變化的銭時1*1/30=樓擬實驗的埋管進(jìn)出水鎧度變化的銭時1*1/30=GREENBUILDINGRESEARCHCENTER側(cè)實驗的進(jìn)出水溫度在初期.進(jìn)出水溫度上升速度較快,10h后水溫上升變的緩慢，進(jìn)出水溫差較為穩(wěn)定.實驗時間50h,符合規(guī)范推薦值。一號井流量和壓力記錄圖表預(yù)擬實禮的埋■冊■和壓力變化曲馥GREENBUILDINGRESEARCHCENTER側(cè)實驗的進(jìn)出水溫度在初期.進(jìn)出水溫度上升速度較快,10h后水溫上升變的緩慢，進(jìn)出水溫差較為穩(wěn)定.實驗時間50h,符合規(guī)范推薦值。一號井流量和壓力記錄圖表預(yù)擬實禮的埋■冊■和壓力變化曲馥12002303600時M/30s<18006000|—一——令流量1.2流量1.2壓力0.1壓力0.6二號井流量和壓力記錄圖表施擬實驗的埋■流■和壓力變化曲銭nr?n/3os[—二號弄魚妄流量1.2壓力0.1壓力0?6血省艷鞠口第/Kffll究GREENBUILDINGRESEARCHCENTER5-3測試數(shù)據(jù)分析5?3?1巖土層導(dǎo)熱系數(shù)熱響應(yīng)實驗的理論基礎(chǔ)是開爾文的線源理論，一般悄況下利用現(xiàn)場埋管進(jìn)行的測定方法是利用電加熱來加熱換熱流體介質(zhì)的，熱的流體介質(zhì)通過豎直埋皆換熱器給巖土施加一個熱源，熱后根據(jù)流體介質(zhì)溫度和換熱雖來計算確定巖土熱物性參數(shù).該方法所需設(shè)備簡單，換熱雖可直接測屋得出，測屋精度高?以下公式描述了線源理論，我中心的熱響應(yīng)實驗軟件就是基于此理論：a-土壌平均熱擴(kuò)散奉；九一土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)；H—鉆孔深度：t—測試運(yùn)行時間；AT—溫差；厲一鉆孔半徑；q—埋皆與土壤的換熱雖；平均導(dǎo)熱系數(shù)入綜合老慮了地下?lián)Q熱器埋凍范圍內(nèi)的其他特性因素的綜合系數(shù).模擬實驗的埋管進(jìn)出水逞度變化曲馥4208642086420864204443333322222111111200240036004800600042086420864208642044433333222221111112002400360048006000時|V1/3OSnoGREENBUILDINGRESEARCHCENTER1號鉆井實驗值與理論值對比根據(jù)線熱源理論，Tf與時間的曲線是對數(shù)函數(shù)關(guān)系，根據(jù)測試數(shù)據(jù)與理論值對比計算出鉆孔的m=2.8822,而根據(jù)巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)公式Q2=4x7rxm=63/4/3.14/2.8822=1.7403w/(m*k)地下平均導(dǎo)熱系數(shù)取平均值1.7403w/(m?k)模擬實臉的埋管進(jìn)出水綜度變化曲域d20864208642086420-a44353332222211111p遒歡12002400時(fl/30s360048006000[曲22號鉆井實驗值與理論值對比根據(jù)線熱源理論，Tf與時間的曲線是對數(shù)函數(shù)關(guān)系，根據(jù)測試數(shù)據(jù)與理論值對比計算出鉆孔的m=2.8803,而根據(jù)巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)公式Q2=4X7TXW=63/4/3.14/2.8803=1.7414w/(m*k)地下平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.7414冊5?k)綜合兩口鉆井的測試結(jié)果，地下平均導(dǎo)熱系數(shù)取兩次平均值1.74085w/(m?k)

忖兀而省墾邑崖ifiliiK/KHI究millAAGREENBUILDINGRESEARCHCENTER5.3.2埋管換熱器熱阻計算U形PE管的管壁熱阻可按公式計算Rre=—^-111(—————)卩2叫^deAd.-dS式中…地埋管的管壁熱阻(m?K/W)入p-—地埋管導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m?K)]d。---地埋管的外徑(m)d「-地埋管的當(dāng)量直徑(m)土壤熱阻土壤熱阻的計算是個非常復(fù)雜的過程，根據(jù)IGSHPA推薦的公式及數(shù)據(jù)，以線源理論為基礎(chǔ),計算得出結(jié)呆。&~27O7(1)&~27O7(2)平均導(dǎo)熱系數(shù)：1.74085w/(m?K)總熱阻：0.520(m?K)AV熱容量2485.71kJ/(m3?K)5.3.3單孔換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、周闈土壤的土質(zhì)、土壤的賦水情況及如果含水是否流動、回填料的特性及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土壤換熱器的換熱能力，由于地下的土壤結(jié)構(gòu)及分布比較復(fù)雜，只有通過測試實驗孔井絕對能力一一綜合傳熱系數(shù)來衡量整個換熱孔的換熱性能。通過分析數(shù)據(jù)計算出結(jié)果。根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范:忖江而省究micAAGREENBUILDINGRESEARCHCENTER夏季工況：豎直地埋管換熱器換熱計算公式：LC=^max_一（RpjR「牟）式中：Rpe—一U形管的管壁熱阻；R：—一土壤/場地?zé)嶙?；Fc一一制冷運(yùn)行比例；Tmax一一設(shè)計最高進(jìn)水溫度；Th一一全年土壤原始溫度：單位井深換熱量KC,W/m：冬季工況：豎直地埋管換熱器換熱計算公式：t-rLc=———（RJR；生）式中：Rpe—一U形管的管壁熱阻；R：—一土壤/場地?zé)嶙?；Fc一一制熱運(yùn)行比例；Tmax一一設(shè)計最低進(jìn)水溫度；Th一一全年土壤原始溫度:M血習(xí)艷副工程扌訓(xùn)ffll究哪AAGREENBUILDINGRESEARCHCENTER六、測試結(jié)果與建議6.1鉆孔深度與鉆孔難易程度從鉆孔過程和地質(zhì)報告中可看出，本項目地下主要為泥巖，基本成分為粘土、泥巖、低風(fēng)化泥巖、微風(fēng)化泥巖，該區(qū)域土壤地層平均導(dǎo)熱系數(shù)較高，比熱容較人，綜合換熱能力較強(qiáng)，適合使用地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。最終埋管深度還需綜合考慮建筑面枳、埋管面積、單位埋管換熱量等因素。6.2測試數(shù)據(jù)整理與分析1）綜合導(dǎo)熱系數(shù)分析根據(jù)勘測分析，本項目主要為泥巖，經(jīng)數(shù)據(jù)分析與計算，地下綜合導(dǎo)熱系數(shù)良好1.515W/nfC，地卜?土壤含水量人増強(qiáng)了埋管換熱器的換熱能力，本項目地質(zhì)條件為適宜采用土壤源熱泵系統(tǒng)。2）地下熱物性參數(shù)匯總：表3地卜?地質(zhì)熱物性參數(shù)埋管形式埋管深度/m1:壤初始溫度/°c單井流量ni3/h