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康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书1一、项目基本情况（一）项目概况邯郸市康桥国际大厦位于邯郸市邯山区陵园路东段，总建筑面积48737.04m2，占地面积6916.9m2。大厦地下2层，地上29层，局部30层。地下2层战时为人防，平时为汽车库，自行车库，及设备用房。1-3层为商业，4-29层为办公。总建筑高度为97.45m（地上），图1为康桥国际大厦总平面图。该项目拟采用地源热泵空调系统来解决建筑的夏季制冷、冬季采暖需要。图1康桥国际大厦总平面图康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书2（二）项目进度康桥国际大厦已于2009年6月开工建设，计划于2011年05月竣工并投入使用，目前该工程即将封顶，部分施工面的空调、水、电等各专业已具备进场作业的条件。二、项目测试背景及目的（一）项目测试背景结合项目的特点、周围市政供热的现状，并考虑到系统的运行费用，康桥国际大厦项目拟采用地源热泵空调系统。地埋管换热器的换热能力及项目所在地土壤的地层情况作为地源热泵空调系统设计的核心、成败的关键，必须给予足够的重视；同时，该项目作为目前邯郸市最大的使用地源热泵空调这种清洁能源形式的项目，无已建成类似规模的项目实际运行数据可以借鉴，因此，为了确保本项目采用地源热泵空调形式的成功，并在邯郸地区起到示范作用，必须对项目所在地的地层情况、地埋管换热器的换热能力等进行测试，取得准确可靠的原始数据，为项目的设计提供可靠的依据。为了支持项目建设、配合工程进度，尽快确定地源热泵空调设计方案，北京金万众空调制冷设备有限责任公司于2010年8月5日至2010年8月17日在工地现场组织进行了钻孔试验及地埋管换热器竖直换热管换热能力测试。（二）项目测试目的本次测试的目的主要是希望通过本次测试，能够为整个项目的地源热泵空调系统设计提供准确的原始数据。具体包含以下几个方面：（1）了解项目所在地地层情况；（2）得出双U竖直换热管及单U竖直换热管的单井换热能力；（3）通过对单管换热能力测试给出群井换热能力分析。康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书3三、项目测试单位基本情况康桥国际大厦项目地源热泵空调工程中的地埋管换热器竖直换热管换热能力测试由北京金万众空调制冷设备有限责任公司组织并实施，北京工业大学热泵工程中心作为协作单位进行土壤热物性测试。（一）组织实施单位简介单位名称：北京金万众空调制冷设备有限责任公司单位简介：北京金万众空调制冷设备有限责任公司成立于1999年，一直从事中央空调设备的设计、生产、销售及空调工程的施工、安装，作为集国家标准起草单位、生产许可证获取单位、压力容器制造许可单位、空调工程施工资质单位为一体金万众公司可以向用户提供水源、土壤源热泵系统集成服务，可最大限度减少用户在项目实施过程的管理工作量和各工序之间的协调工作。尤其是针对一些地质条件特殊的用户，可以通过调整机组工况效率和热交换器的非标设计制造来为用户提供最适应使用条件的机组和系统。在实际建筑领域中，金万众公司的地源热泵机组凭借它节能、环保等优点得到了广泛的应用，位于北京望京地区的北京澳洲康都住宅小区就是其中之一，建筑面积28万平方米，全部采用地源热泵空调系统；国家大剧院、北京拉菲特城堡酒店、北京南滨河路住宅小区、北京邮电大学、北京金方大厦、北京宏福大厦、北京湖湾酒店、中国武警工程学院等等，都采用地源热泵技术供冷供暖。截至2007年12月，在北京市1078万平方米采用了地源热泵系统进行供冷供暖的建筑中有超过200万平方米选用了金万众的产品。（二）协作单位简介单位名称：北京工业大学热泵工程中心单位简介：北京工业大学热泵工程中心成立于2001年，主要由北京工业大学具有博士或硕士学位在职教师及研究生组成。北京工业大学热泵工程中心依托北京工业大学技术优势，一直致力于热泵技术研发和热泵系康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书4统设计，具体涵盖了地源、水源热泵相关技术的研究与应用，包括项目可行性分析、地下换热器测试、换热器的设计与计算、土壤蓄热技术及热泵与其他传统技术（太阳能）联合运行的研究等方面内容。北京工业大学作为在能源利用方面走在前列的高等学府，通过北京工业大学热泵工程中心也承担了多项国家级及北京市市级的科研项目，在国内外杂志期刊发表多篇高水平科技论文，获得了多项国家专利。北京工业大学热泵工程中心凭借多年的研究积累并参照国际标准，开发出了一套地源热泵系统地下岩土热物性测试设备和换热器的计算方法，目前已经完成多个测试项目，根据实际运行情况来看，效果良好，得到了多方认可。附表（一）为北京工业大学热泵工程中心的部分土壤热物性参数测试项目表。四、项目测试的组织与实施（一）测试孔位的确定结合现场实际情况，并与建设单位、设计单位协商，确认钻孔位置地下无其他管线时后，最终确定在建筑东北角的位置打两口测试井（单U、双U各一口），井径180-200mm，井深150m。图2为测试井位示意图。图2测试井位示意图（二）地埋管换热器的设计及施工地埋管换热器是地源热泵空调系统的核心，而竖直地埋管换热管的换热能力就成为地埋管换热器设计及施工的重中之重，因此必须做好试验井的设计与施工，提高竖直地埋管的换热能力，保证测试数据的准确性、可靠性。1、地埋管换热器的设计康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书5根据《地源热泵系统工程技术规范》，结合我公司施工经验，对两口测试井设计相关参数见表8。2、竖直换热管公称压力选取综合考虑了项目特点，本次试验采用公称压力为1.6MPa的PE管材作为试验井的竖直换热管。竖直换热管及U型接头的受力分析详见第五部分第三节管道承压分析。3、地埋管换热器的安装[1]地埋管换热器的安装分为钻孔、下管、回填等3个阶段，下面对这3个阶段的所采用的工法进行概述。（1）钻孔钻孔是竖埋管换热器施工中比较重要的工序。目前应用在地源热泵空调工程中的钻孔设备主要有转盘式钻孔机、冲击式钻孔机等，常用的动力有电动机和柴油机。钻孔设备及动力的选择根据地质条件的不同而有所差异，但电动转盘式钻孔机因其动力方便、更改不同的钻头适应多种地质条件而应用广泛。钻孔主要采用的方法有螺旋钻孔法、全套管法、回转斗钻孔法、冲击法等，不管哪种方法均需解决好钻井的排屑与注入物注入工艺，因为这两个方面对钻孔质量与效率影响都较大。常用的排屑工艺分为正循环法、反循环法、双管循环法。正循环法为泥浆、水或空气从钻杆中心压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间溢出到沉淀池。正循环法虽排渣速度较慢，但设备简单便宜，容易操作，安全性高，因而采用较多；反循环法为泥浆、水或空气沿孔壁压入孔底，从钻杆中心孔中吸出到沉淀池的方法。由于该方法需要在孔口密封，施工现场不易做到，工艺复杂，速度慢，采用相对较少；还有一种双管反循环法，循环物质流经独立的进管和出管，这有助于减少钻孔裂缝，但目前较少采用。康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书6循环注入物质常选择水、空气或者泥浆、黏土等。它们的作用一是冷却钻头，二是带走切屑，对于黏土、亚黏土层一般选择水作为注入物，由本土自行制浆护壁；对于沙土、沙层一般选择注入黏土或泥浆进行护壁。清孔时一般选择清水或清浆。通过对本项目所在地的了解，本次测试采用是电动转盘式钻孔机，排屑则采用正循环的方法，泥浆从钻杆中心中压入孔底，携带切屑从钻杆与孔壁之间溢出到沉淀池，同时起到冷却钻头的目的。沉淀池位于钻孔西北侧3-4米处，收集容纳钻井时排出的泥（沙）浆。钻孔的同时，根据从井中返上来浆的组成并结合钻机在不同地层的运行特点，判断地层的类型及深度。图8为1号井地层类型及深度分布图。图3为现场钻孔情况。图3现场钻孔施工情况图4下管施工过程情况（2）下管下管是工程的关键之一，下管前后的试压工序、下管的深度控制不仅是地埋管安全运行的保证，也是保证地埋管总换热长度达到设计深度的重要步骤。目前多数地源热泵空调的施工企业或队伍在试压及下管工序做的并不很好，通常由于存在“出厂前已进行过水压试验，应该没问题”的侥幸心理，导致管材到场后不进行试压或进行简单的气压试验就下管；下管时没有管底部引导措施，致使管材在孔内成螺旋状或甚至暗地将管材将截断，根本达不到设计深度，达不到设计的排热或取热能力。即使达到设计康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书7深度，由于通常不安装管卡，致使井内换热管相互接触紧密，降低了换热能力。北京金万众空调制冷设备有限责任公司在这次测试下管过程中严格执行《地源热泵系统工程技术规范》中试压要求，在下管前进行压力试验，试压合格后将管卡安装固定完成后才进行下管。下管应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行，当钻孔孔壁不牢固或存在空洞洞穴致使成孔困难时设置护壁套管，本次钻孔孔壁牢固，因此不设护壁套管采用自然下管结合人工顶管的方法进行，先将顶管（Ф32焊接钢管）与管材底部U型头固定，然后先依靠重力下管，随着深度增加钻孔底部泥浆浮力大于管材重力时，依靠人工向下顶管引导换热管及注浆管（采用原浆自然沉降方式回填时无注浆管，见下节回填详细介绍）尽量竖直地进入钻孔。然后进行第二次压力试验，试验完毕后U型管露出地面约2米，以便于后续测试时管道连接。图4为下管施工过程情况。（3）回填二次试压合格后应立即进行回填封井。地埋管换热器钻孔回填封井意义及目的，一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现土壤或回填料对管材的紧固作用。但由于本项目将来的钻孔位置距主楼较近，因此本次测试回填除了要考虑上述两方面外，还应考虑避免深井钻孔回填对大厦桩基产生不利的影响。目前通常采用的回填方式为原浆自然沉降回填，即回填时将第二口井排出泥浆排至第一口井，该方式容易实现工序的衔接，回填材料和人工成本均较低，但沉降较多，需要后期大量补填，换热效果相对较差。由于采用原浆回填，钻孔内材料抗挤压能力较低，就没有考虑对大楼的桩基的不利影响。考虑到项目的重要性及安全性，北京金万众空调制冷设备有限责任公司在这次试验测试回填中采用返浆法回填，即在下管时将注浆管与换热管一起下到钻孔底部，注浆回填时使用注浆泵从搅拌机里抽取回填料通过注浆管直接送入钻孔底部，使混合浆自下而上回填封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻，回填时根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出，直康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书8到井口外溢回填料为止。第一次回填完成一天后，由于失水等原因回填料下陷，试验井上部形成空腔，此时采用中砂、水、少量泥浆再次回填，一般反复两次至三次，基本能够完成回填，静止3天后进行测试。回填封井时采用低标号水泥砂浆，灰砂比为1：6，并根据粘稠度及润滑度增加部分水及原浆，增强钻孔的抗挤压能力，避免对主楼桩基产生不利影响。回填料粘稠度需合理控制，过稠或过稀均不行。过稠时，注浆泵不能顺利从搅拌机吸到填料，可能造成注浆管堵塞，注浆过程断断续续，更不利于回填密实；过稀时，由于密度过小，不能快速沉至孔底，达不到自下而上的封井作用。表1为施工3个阶段使用的主要设备。图5、6为回填时使用的搅拌机和灌浆泵。图5搅拌机图6灌浆泵表1地埋管换热器施工使用的主要设备表序号设备名称规格单位数量备注1龙门钻架H=4.0m组12钻机N=7.5kw，380V台13卷扬机N=7.5kw，380V台14泥浆泵N=7.5kw，380V台25灌浆泵N=5.5kw，380V台16搅拌机N=3.0kw，380V台17电动试压机N=3.0kw，220V台18钻杆2.7m/根Φ=80mm根60康桥国际大厦地埋管换热器土壤热物性测试报告书94、测试设备的连接及调试测试设备连接时，时时处处都注意了降低或避免因连接不当而造成的测量误差。比如：设备尽量接近试验井，以减少裸露在空气中管材的长度；将裸露在空气中的管材敷以25mm厚橡塑保温材料；将管道尽量多的置于防雨棚内，避免因保温外侧遭受雨水冲刷而造成不利散热；上述原因造成的散热均会导致测试数据偏大，致使设计错误。另外选用电压相对稳定的电源，保证设备工作稳定等也很重要。设备连接完成后，复检接线，确认正确后开机调试。调试过程主要是排除系统空气，确保水泵、温度传感器、流量计、电加热器能够正常工作。表2为测试