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

1、×××××××公司地埋管地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗及評價報告×××××××××××××××年×月××日目 錄1. 工程概況32. 試驗測試目的33. 場地氣象條件、測試孔及地層條件簡介44. 現(xiàn)場使用的巖土熱物性測試儀器及測試方法簡介54.1巖土熱物性測試儀簡介54.2測試過程簡介74.3測試理論85. 土壤的初始平均溫度的測定106巖土比熱容計算11

2、7. 測試孔測試結(jié)果分析117.1 供電電壓、循環(huán)液流流量、壓力損失與加熱時間的關(guān)系曲線117.2 載熱流體溫度與加熱時間的關(guān)系曲線137.3測試孔土壤平均熱傳導(dǎo)系數(shù)的確定137.4測試孔鉆孔熱阻的計算148. 場地淺層地?zé)崮軗Q熱量預(yù)測159. 結(jié)論和建議1710. 勘察資質(zhì)證書和儀器校正證書18×××××××公司地埋管地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗及評價報告1. 工程概況擬建項目位于××××××××××××

3、15;×，主要由加工車間和辦公樓組成，總建筑面積×××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(shè)計前在現(xiàn)場布設(shè)了一眼地埋管現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗鉆孔，鉆孔直徑為150mm，深度為100m，埋設(shè)了Dn32單U形PE管，×××××××××（勘測單位）對地埋管試驗孔進行了現(xiàn)場熱響應(yīng)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，尋求合適的施工方法。 （2）通過現(xiàn)場測試及室內(nèi)分析，提供滿足設(shè)計施工所需的場地巖土熱物

4、性參數(shù)，確定巖土層換熱能力，預(yù)測淺層地?zé)崮軗Q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(yīng)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××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，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)向為北及西北風(fēng)，最大風(fēng)速達17m/s，標準凍土深度為0.74m。擬建場區(qū)地貌屬山前沖洪積傾斜平原區(qū)。自然地

5、形北高南低，最大高差7.57m，現(xiàn)場地已平整。根據(jù)熱響應(yīng)試驗孔鉆探揭露，場地地層情況見圖1。插入圖片圖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×××××××××（勘測單位）型地埋管巖土熱響應(yīng)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

6、加熱功率太大，電纜中的電流就會很大，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(shè)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、6kW和9 kW，通過空氣開關(guān)可自由調(diào)節(jié)。 當晝夜電壓變化幅度10%時，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

7、機驅(qū)動的自吸式離心泵供水。離心泵的額定流量和揚程分別為3m3/h和40m，通過閥門調(diào)節(jié)能保證150m孔深范圍內(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DS18B20數(shù)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。插入圖片圖2. GP-3

8、巖土熱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的精密水銀溫度計為基準，誤差小于±0.1。試驗前和試驗后，對流量傳感器采用體積法進行校正。設(shè)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(yīng)放置至少48h以上，再進行巖土熱響應(yīng)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(fù)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(yīng)放置足夠長的時間（宜為十天），以保證

9、測試孔內(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(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，水不通過水箱，在管路中閉式循環(huán)半個小時以上，進孔溫度傳感器和回水溫度傳感器測出的溫度平均值，

10、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(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的橡塑管包裹，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的橡塑管保溫。測試現(xiàn)場照片見圖3。插入圖片圖3. 現(xiàn)場測試照片4.3測試理論1）線熱源理論 采用線熱源理論，假定鉆

11、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，當系統(tǒng)加熱功率恒定時，載熱流體平均溫度可表示為：插入公式 （1）式中：載熱流體的平均溫度，； 加熱試驗時單位長度鉆孔的加熱量，W/m； 土壤初始溫度，； 土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m)； 加熱時間，s； 鉆孔半徑，m； 鉆孔熱阻，/(W/m) 歐拉常數(shù)，0.5772； 熱擴散率，m2/s；， 為土壤密度，kg/m3；為土壤的比熱，J/(kg)；2）用線熱源理論，通過試驗求土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù) 加熱功率恒定時，（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

12、度與時間對數(shù)的關(guān)系曲線（理論上為直線），確定該曲線的斜率，即可按下式求出土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)。插入公式 （3）3）用線熱源理論，通過試驗求鉆孔熱阻 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(guān)，這些因素都直接影響著整個土壤換熱器的換熱能力，由于地下土壤結(jié)構(gòu)及分布比較復(fù)雜，只有通過測出試驗孔的綜合傳熱系數(shù)后，再根據(jù)工程資料以及已知參數(shù)，進行詳細計算。5. 土壤的初始平均溫度的測定進行熱響應(yīng)

13、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(shè)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(guān)系曲線如圖4所示。插入圖片圖4. 測試孔土壤初始溫度測試時水

14、溫的時間響應(yīng)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××××。 6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2.65×103 kJ/(m3K)。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(guān)系曲線完成了鉆孔埋管土壤初始平均溫度測試后，開啟加熱器進行鉆孔埋管熱響應(yīng)試驗。進行熱響應(yīng)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(guān)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)

15、計結(jié)果見表1，表2為熱響應(yīng)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(yīng)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(yīng)試驗時平均流量與流速試驗孔號測試時間流量(L/h)流速(m/s)壓力損失(kPa)備注1#試驗孔13150.687332單U100m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

16、載熱流體溫度與加熱時間的關(guān)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(guān)系曲線。在恒功率熱響應(yīng)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(yīng)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()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(dǎo)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)關(guān)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(guān)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

17、7)的斜率、截距、按（1）式計算的熱擴散率和按（3）式計算的導(dǎo)熱系數(shù)見表4。表4. 熱響應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)K(W/Km)土壤平均熱擴散率(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：×××××××××公式 式中： 歐拉常數(shù)，為0.5772；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

18、1號試驗孔鉆孔熱阻Rb(KmW-1)0.1848. 場地淺層地?zé)崮軗Q熱量預(yù)測設(shè)試驗工況時，載熱流體的平均溫度為，單位散熱量為，則根據(jù)（1）式可得試驗工況時載熱流體平均溫度滿足下式：×××××××××公式 (5) 設(shè)，釋熱工作工況時，載熱流體的平均溫度為，單位釋熱量為，則根據(jù)（1）式可得釋熱工作工況時載熱流體平均溫度應(yīng)滿足下式： ×××××××××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(dǎo)系數(shù)、鉆孔

19、熱阻、土壤熱擴散率變化很小，可忽略不計，而鉆孔半徑、歐拉常數(shù)又為常數(shù)。故將（6）式除以（5）式有：×××××××××公式 (7) 由（7）式可得釋熱工作工況時，單位孔深釋熱量為：×××××××××公式 (8)式中： 試驗工況時載熱流體的單位孔深釋熱量W/m； 釋熱工作工況時載熱流體的單位孔深釋熱量W/m； 載熱流體試驗工況時的平均溫度； 載熱流體釋熱工作工況時的平均溫度； 土壤的初始溫度。設(shè)取熱工作工況時，載熱流體的

20、平均溫度為，單位釋熱量為，則根據(jù)（1）式可得取熱工作工況時載熱流體平均溫度應(yīng)滿足下式： ×××××××××公式 （9）與推導(dǎo)（8）式同理，將（9）式除以（5）式有：×××××××××公式 （10） 由（10）式可得取熱工作工況時，單位孔深取熱量為：×××××××××公式 （11）按（11）式計算的取熱量為負值，一般習(xí)慣用其絕對值表示。××××××