岩土热响应测试报告

XX省XX市学院片区地源热泵工程岩土热响应测试报告XX省XX大学地源热泵研究所二〇一四年五月X2岩土热响应测试报告一、工程概况该项目为XX省XX市学院片区（XX市学院、新华苑）地源热泵工程，位于XX省省XX市市。本工程拟采用节能环保的土壤源热泵系统，作为空调系统的冷、热源。我所对该工程地埋管场地进行了深层岩土层热物性测试。本次试验进行了1个孔的测试。报告时间：5月10日～5月11日。二、测试概要1、测试目的地埋管换热系统设计是地埋管地源热泵空调系统设计的重点，设计出现偏差可能导致系统运行效率降低甚至无法正常运行。拟通过地下岩土热物性测试并利用专业软件分析，获得地埋管区域基本的地质资料、岩土的热物性参数及测算的每延米地埋管换热孔的换热量，为地热换热器设计、换热孔钻凿施工工艺等提供必要的基本依据。2、测试设备本工程采用XX省建筑大学地源热泵研究所自主研制开发的型号为FZL-C（Ⅲ）型岩土热物性测试仪，如图1所示。该仪器已获得国家发明专利（ZL200810238160.4)。并已广泛应用于北京奥林匹克公园、网球场馆、济南奥体中心等一大批地源热泵工程中的岩土层热物性测试。见附件3。3、测试依据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005(2009年版)。测试原理见附件2。X3图1FZL-C（Ⅲ）型岩土热物性测试仪三、测试结果与分析1、测试孔基本参数表1为测试孔的基本参数。表1测试孔基本参数项目测试孔项目测试孔钻孔深度（m）100钻孔直径（mm）150埋管形式双U型埋管材质PE管埋管内径（mm）26埋管外径（mm）32钻孔回填材料细沙主要地质结构粘土与玄武岩2、测试结果测试结果见表2。循环水平均温度测试结果与计算结果对比见图2。测试数据见附件1。初始温度：16.2℃；导热系数：1.66W/m℃；容积比热容：2.1×106J/m3℃。X43、结果分析钻孔结果表明：该地埋管区域地质构造以粘土为主。具体地质构造见表2。测试结果表明：埋管区域的平均综合导热系数为1.66W/m℃，数值中等；平均容积比热为2.1×106J/m3℃，数值较大；岩土体平均初始温度16.2℃，数值偏低，有利于夏季向地下放热。01020304050051015202530Temperature('C)Time(Hr)测量温度计算温度图2循环水平均温度测试结果与计算结果对比图表2测试区域岩土体地质构造层号层底深度（m)变层厚度（m)地质岩性描述13030粘土2388粗砂3457粘土4494中砂5589粘土610042玄武岩X5四、单位孔深地埋管的换热量与建议1.影响每米孔深地埋管换热量的因素地埋管单位孔深的热交换量与多种因素有关。简述如下：（1）地埋管传热的可利用温差，即U型埋管中的水（循环液）热交换后允许达到的最低或最高温度与岩土换热前未受热干扰时温差。可利用温差与地热换热器的设计参数有关。本报告地埋管循环液冬季最低温度采用3℃，夏季热泵运行最高温度宜采用37℃。（2）每年从地下取热量与向地下释放热量是否平衡。二者相差越大，对地热换热器换热效率的影响越大。宜考虑全年从地下提取热量与向地下放入热量的平衡问题。（3）地埋管单位孔深的热交换量还与地埋管间距、地下水位的高低和岩土层含水量多少等因素有关。2.单位孔深换热能力分析单位孔深换热量是确定地热换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数量与埋管结构等的重要依据。单位孔深换热量取值偏大，将导致埋管量偏小、循环液进出口温度难以达到热泵的要求。使系统达不到设计要求。反之，单位孔深换热量取值偏小，埋管量将增加，工程的初投资增高。但热泵机组的运行费用将会降低。在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域地质条件深层岩土热物性的测试情况、考虑到当地地温初始温度（16.2℃），冬、夏季地埋管循环液温度设定（冬季：7~3℃，夏季：32~37℃）等因素，在全年地埋管区域冷热负荷基本平衡的条件下，提出地埋管方案设计时的参考建议如下：（1）对于De32双U型地埋管，冬季每米孔深从地下提取的热量按45W/m计，夏季每米孔深向地下释放的热量按74W/m计。不同连续运行时段的U型地埋管换热估算值见表3。在连续运行8小时，地埋管循环液X6不同的最低与最高温度条件下地下换热量参考值见表4。表3地埋管不同连续运行时间地下换热量参考值（W/m）连续运行时间（h）81224夏季746964冬季454239表4地埋管循环液最低与最高温度地下换热量参考值（W/m）夏季最高温度℃373532换热量746652冬季最低温度℃345换热量454136（2）钻孔深度100m，竖直埋管材料应采用HDPE100；钻孔难度较大，地埋管宜采用双U型地埋管。（3）在地埋管空间充足条件下，为增大蓄热体、减弱地下冷热负荷不平衡的影响，应适当加大地埋管间距。XX省XX大学地源热泵研究所2014.5.12测试：计算：审核：审定：附件1：原始测试数据X71.钻孔输入功率010203040500.00.51.01.52.02.53.0Time(Hr)InputPower(Kw)2.钻孔地下埋管进出口温度01020304050051015202530Temperature('C)Time(Hr)T出口T入口3.钻孔循环液每分钟流量X80102030405002468101214Time(Hr)FlowRate(L/min)X9附件2：用于现场测量深层岩土导热系数的原理与方法1.岩土热物性测试方法与分析地下岩土热物性参数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数。地下岩土测试方法有很多：根据地质构成查有关手册、理论分析推导、取样进行测量、以及进行现场直接测量。前三类方法通常误差比较大，在实际的地源热泵工程中几乎无法应用。目前通常采用第四种方法。该方法是在需要埋设地热换热器的地下钻孔，钻孔中埋入埋管后回填。通过埋管施加一定热流，测量某点的温度响应与时间的变化关系，根据引入的传热模型，确定岩土的导热系数。我国《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）和美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）2007年手册均规定在地源热泵工程中采用此方法进行岩土热物性测量。深层地下岩土导热系数通常用现场测量结合参数估计法来确定。目前测试应用的地热换热器与周围岩土换热模型一般较为复杂，需要确定的参数较多，导致出现误差的可能性增大，非常不利于工程上推广应用。已有模型在确定钻孔内热阻时，一般都需要较为详细地确定钻孔内埋管的布置与几何尺寸、导热系数以及回填材料的导热系数等。鉴于测量的困难和钻孔内埋管埋设的不确定性，这些参数的误差均较大，从而影响最终确定的物性结果的可靠性。本研究所提出一个传热模型用于现场测量并确定深层岩土的导热系数。并在此基础上研制出相应的岩土层热物性测试仪。因减少了测量参数带来的误差，应用于工程时得到的结果比其他方法更好。本研究所研制的岩土层热物性测试仪自2002年开始应用，并不断改进，目前投入使用的为第三型。2.测试模型与原理地下岩土导热系数的测试涉及单钻孔的地热换热器。简化分析模型中引进如下假设：（1）钻孔周围岩土是均匀（设计所需是平均参数）；（2）X10埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热，沿长度方向传热量忽略不计；（3）埋管与周围岩土的换热强度维持不变（可以通过控制加热功率实现）。根据上述假设，由地热换热器与其周围岩土换热的换热方程可确定管内流体平均温度与深层土壤的初始温度（也是假设的无穷远处的土壤温度）之间的关系可表达为[10,11]：21416bssffflossdcTTqREikk（1）其中：xSdSSexEi)(，为指数积分函数。db：钻孔直径，m；cs：岩土的比热，J/kg·K；ks：周围岩土的导热系数，W/m·℃；ql：单位长度线热源热流强度，W/m；Ro：单位长度钻孔内的总热阻，℃m/W；Tf：：埋管内流体平均温度，℃；Tff：：无穷远处土壤温度，℃；ρs：岩土的密度，kg/m3；τ：时间，s。在以上简化模型中有三个未知参数s，0R，和ssc。理论分析和测试实践都表明，在测试的时间范围（数小时至数数十小时）内钻孔外岩土的体积热容量ρscs作为一个未知参数对循环流体的温度变化Tf的影响很小。因而通过该试验不能较准确地确定岩土的体积热容量ρscs。但另一方面，估算的ρscs的值的误差对于试验确定的Ro和ks的值的影响也可以忽略。因此可以利用传热反问题求解。。结合最优化方法同时确定Ro和ks，这样该问题就变为Ro和ks双参数估计问题。X113.测试方法与设备地下岩土的热物性参数无法直接测量，只能通过测量温度、热流等相关参数并根据建立的地埋管与周围岩土换热模型进行反推。在已钻好的钻孔中埋设地埋管并按设计要求回填，该钻孔中的埋管将来可以作为地热换热器的一个支路使用，回路中充满水，让水在回路中循环流动，自某一时刻起对水连续加热相当长的时间（数天），并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对应的时间，如图3。图3测试仪现场安装示意图本仪器由流量传感器、电功率传感器、温度传感器、泵、电加热器、管道和主机等组成，结构简图如图4所示。如图4所示：由于泵的作用，流体由埋管进入，流量传感器采集其流量信号。温度传感器采集温度信号（T1），流体通过泵后，由电加热器加热，加热的流体温度信号（T2）由传感器采集后，再送往埋置于深层岩土中的埋管内，在埋管内被加热了的流体与深层岩土进行了热交换后，又返回到仪器内，形成封闭的循环。在一定时间内连续采集到的加热功率、温度差、流量值作为测量数据，再利用参数估算法求出岩土的平均导热系数，达到测试目的。X12图4岩土热物性测试仪工作原理图现场测量岩土热物性参数是在传热模型的基础上利用参数估计方法不断的调整输入未知参数，使得所期望的目标函数取得极值，此时的参数值即为所需要确定的未知参数数值。在本项目中，就是使由现场测得的实验数据与通过模型计算得到的理论数据之间差异最小。取目标函数为根据模型计算的流体平均温度值与通过现场实验测量值的方差和（见式2），图5是数据分析主程序的计算流程图。21exp,,NiiicalTTf（2）其中：Tcal,i：第i时刻由传热模型计算出的埋管中流体的平均温度，℃；Texp,i：第i时刻实际测量的埋管中流体平均温度（取出口和入口流体温度的平均值），℃；N：实验测量数据的组数。X13图5数据分析计算流程图4.现场测试条件（1）稳定的220V电源，功率约为2000W。水、电供应正常。尤其是供电电压应为220V，且保持稳定。电压较大的波动（超过正负10％），将对测试结果产生一定影响。（2）可利用的自来水待测U型埋管安装完毕，且U型埋管地上部分已形成De32的供回水管路。测试前应对U型管进行冲洗，直到管内安装泥渣冲洗干净为止。U型管的充水应干净无污物。（3）现场测试简易棚（挡风遮雨）。X14搭建测试棚与测试架。测试棚净高度2.0m左右，3m×3m见方。作用遮挡风雨。测试横架（杆）1.8m左右，悬吊测试仪。承重50kg左右（4）昼夜的保安措施等。5.热响应测试前的准备工作1）待测U型埋管安装完毕，且U型埋管地上部分已形成De32的供回水管路。2）水、电供应正常。尤其是供电电压应为220V，且保持稳定。电压较大的波动（超过正负10％），将对测试结果产生影响。U型管的充水应干净无污物。3）测试前应对U型管进行冲洗，直到管内安装泥渣冲洗干净为止。4）搭建测试棚与测试架。6.热响应测试步骤1）连接安装测试仪。将埋设好的U型管的两个支管与测试仪的两个进出口连接成一个循环系统。2）系统充水，并排出管内气体。3）接通水泵电源，并启动。4）接通加热电源，并观测输出结果。无误后，调整计时，进入正常测试。测试时间48小时以上。X15附件3：软件、测试仪专利及其使用证明