石家莊地源測試項目巖土熱響應研究測試報告天津大學環(huán)境學院2010年11月21日石家莊地源測試項目巖土熱響應研究測試報告測試人員：編制人：審核人：測試單位：天津大學環(huán)境學院報告時間：2010年11月21日泥漿泵功率為3kW，鉆孔設備實物如圖1所示。圖1鉆孔設備實物圖2.2鉆孔記錄1）A孔鉆孔日期為2010年10月10日～2010年10月11日，鉆孔直徑為298mm，孔深92.5m。下表為A孔的鉆孔記錄。表1A孔的鉆孔記錄表時間地層深度（m）巖土特性描述地層厚度(m)7:30～8:300～2820m出現(xiàn)一個硬層288:30～10:0028～4949m開始卵石層4910:00～15:0049～52卵石層5215:00～18:0052～58粗砂層5818:00～19:3058～62泥沙層6219:30～22:4062～83卵石層和泥沙層8322:40～0:2083～90卵石層和泥沙層902:00～9:1590～92.5卵石層92.5垂直地埋管換熱器插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗，2010年10月11日6:30開始打壓，壓力為1.6MPa，穩(wěn)壓6小時，無泄漏現(xiàn)象。2010年10月11日上午10:00開始洗井，下午13:00結束，洗井完畢后，將垂直地埋管換熱器插入鉆孔（簡稱下管），14：30下管完畢，對其進行打壓，壓力為1.6MPa，穩(wěn)壓20min，無泄漏現(xiàn)象，15:00采用膨潤土、細沙與原漿混合比例為1:3:3作回填材料回填，16:00回填完畢，但在回填的過程中，因為膨脹土膨脹、粘稠，回填材料填的不是很充足。2）B孔B孔鉆孔工作開始于2010年10月12日7:00,18:10停止鉆孔，鉆孔深度為93.5m，由于操作人員的疏忽，在從鉆孔中提出鉆桿的過程中將11根鉆桿掉到所打的鉆孔中（每根鉆桿2.7m），經(jīng)過和設計單位協(xié)商，將鉆孔B的位置定于原位置正西5m處。鉆孔日期為2010年10月13日～2010年10月14日，鉆孔直徑為300mm，孔深92.8m。下表為B孔的鉆孔記錄。表2B孔的鉆孔記錄表時間地層厚度（m）巖土特性描述地層厚度(m)10:50～12:300～28黃土層2812:30～13:2028～33夾雜大顆粒沙子的硬土3313:20～15:4033～48一層軟一層硬的泥沙層4815:40～22:5048～71泥土層7118:00～19:3071～82泥沙層825:30～7:1082～92.8卵石層和泥沙層92.8垂直地埋管換熱器插入鉆孔前，做第一次水壓試驗，2010年10月12日9:20開始打壓，壓力為1.6MPa，穩(wěn)壓5小時，無泄漏現(xiàn)象。2010年10月14日7:30開始洗井，8:30洗井結束，8:40開始下管，9:20下管完畢，對其進行打壓，壓力為1.6MPa，穩(wěn)壓25min，無泄漏現(xiàn)象，9:45開始回填，采用原漿與細砂混合物回填材料回填，10:50回填完畢。三、測試目的與設備通過本次測試，獲得埋管區(qū)域內土壤綜合初始地溫、埋管與巖土體的實際換熱能力，為地源熱泵系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。地源熱泵模擬工況條件的設備由恒溫加熱水箱（變頻控制）、風冷制冷機組（變頻控制，電子膨脹閥）、水泵、流量調節(jié)閥、流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度采集儀及監(jiān)測、記錄儀表組成，可用來模擬夏季排熱工況和冬季取熱工況。系統(tǒng)運行穩(wěn)定：地埋管內流量、供水溫度依據(jù)設計要求可手工調節(jié)設定，供水溫度通過自動控制系統(tǒng)保持恒定，誤差為±0.2℃；加熱器與壓縮機可雙工況同時運行，自動起停，也可手動操作。試驗采用計算機數(shù)據(jù)采集，每隔5秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，自動存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)流程如圖2所示，測試系統(tǒng)實物圖如圖3所示。圖2測試系統(tǒng)流程圖圖3測試系統(tǒng)實物圖四、測試原理與方法4.1巖土初始溫度測試在眾多的設計參數(shù)之中，被認為最容易測定也是最容易被忽略的就是巖土初始平均溫度。眾所周知，溫差是熱量傳遞的驅動。對于地源熱泵的地埋管換熱系統(tǒng)，地埋管換熱器的平均溫度與巖土平均溫度的溫差是熱量傳遞的驅動力。因此，做好巖土初始平均溫度的測定工作對于地埋管換熱器的設計非常重要?！兑?guī)范》規(guī)定，巖土初始平均溫度的測試應采用布置溫度傳感器的方法。測定的布置宜在地埋管換熱器埋設深度范圍內，且間隔不宜大于10m；以各測點實測溫度的算術平均值作為巖土初始平均溫度。本測試工程采用垂直布置溫度傳感器法，沿PE管外部深度方向上布置溫度傳感器PT100，通過實時監(jiān)測溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定不同深度地層的溫度，最終以所測的不同深度地層的溫度的算術平均值最為巖土初始溫度。A孔孔深92.5m，從井底自上共布置溫度傳感器10個，間隔為10m。B孔孔深92.8m，從井底自上共布置溫度傳感器12個，間隔為8m。溫度傳感器的布置圖如圖4所示。使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀作為二次測溫元件，通過RS232數(shù)據(jù)連接線與筆記本電腦連接，筆記本電腦將自動采集數(shù)據(jù)，每30秒采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集實物圖如圖５所示。圖4溫度傳感器布置圖圖5數(shù)據(jù)采集實物圖4.2地埋管換熱器換熱能力測試對地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器換熱能力的測試有兩種方式，一種是穩(wěn)定熱流模擬實驗（簡稱恒流法），另一種是穩(wěn)定工況模擬實驗（簡稱恒溫法）。穩(wěn)定熱流模擬試驗，也稱為“熱響應測試”或“巖土熱物性測試”，采用電加熱器（或制冷機）提供穩(wěn)定熱量（或冷量），記錄地埋管換熱器的溫度響應情況，并利用模型計算巖土熱物性情況。該方法的優(yōu)點是：測試設備結構簡單；相關理論研究成果多，理論依據(jù)充分。缺點：傳熱模型存在適應性問題，假設條件與實際地質情況差距較大；需要多次模型計算，增加誤差累計；計算具有較強專業(yè)性，掌握程度不同等。穩(wěn)定工況模擬實驗，也稱為“冷、熱響應測試”，采用風冷熱泵建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運行工況，也可計算巖土體熱物性參數(shù)，并直觀獲得地埋管換熱器每延米換熱量，也用于計算地埋管換熱器的綜合傳熱系數(shù)。該方法的優(yōu)點是：優(yōu)點：測試結果直觀；設計結果可校核。缺點:相關理論研究成果較少，忽略管井間熱干擾和非穩(wěn)態(tài)傳熱因素；測試設備復雜等。綜合考慮，本測試工程采用穩(wěn)定工況法，穩(wěn)定工況測試示意圖如圖6所示，表3為穩(wěn)定工況的測試參數(shù)。為了進一步探尋巖土熱響應方法對實際換熱能力的影響，對B孔的測試，采用了穩(wěn)定工況法和穩(wěn)定熱流法兩種方式，并將二者的測試結果進行深層次的探討，為地埋管的設計和施工提供更可靠的指導。圖6穩(wěn)定工況示意圖表3穩(wěn)定工況測試參數(shù)表工況試驗供水溫度（℃）回水溫度(℃)流量（m3/h）總傳熱量（kW）模擬夏季工況放熱33—1.8-2.0—模擬冬季工況取熱5—1.8-2.0—五、測試結果與分析5.1測試現(xiàn)場布置測試工作中，一個工況的測試至少要連續(xù)運行48小時，為了保證測試工作的順利進行，搭建了帳篷作為遮擋棚，在遮擋棚內進行相關的測試工作，帳篷的四個側面可以完全打開和關閉，以便制冷機組的通風散熱?，F(xiàn)場的布置圖如下圖7所示。圖7測試現(xiàn)場布置圖5.2測試時間測試時間及與之相應的測試工作見表4表4測試工作時間表測試內容測試時間測試時長/小時A孔夏季工況的模擬測試10月14日～10月17日75A孔冬季工況的模擬測試10月18日～10月22日100B孔加熱功率為3.6kW模擬測試10月23日～10月27日90B孔夏季工況的模擬測試10月27日～10月29日56B孔冬季工況的模擬測試11月5日～11月8日74B孔加熱功率為8.4kW模擬測試11月11日～11月14日755.3夏季工況測試夏季工況測試的是熱泵系統(tǒng)夏天熱泵制冷工況：空調系統(tǒng)通過制冷設備把各房間的熱量抽取出來，通過地埋管換熱器排向地下土壤。測量地埋管在夏天的散熱功率，就是根據(jù)地源熱泵設備運行的標準工況所對應冷凝溫度的冷凝器出水溫度，擬定某流量進行模擬運行試驗實測值。測試試驗持續(xù)運行，直至回水溫度與地埋管換熱器的換熱量趨于穩(wěn)定，近似不再變化。1)測試結果循環(huán)水在地埋管中的進出口溫差和傳熱量是由地埋PE管和水平連接管換熱作用的結果。由于在水平地面上的水平連接管較短并且用保溫材料對其進行保溫。所以其對換熱的效果影響較小，可近似的忽略。a)A孔夏季工況圖8、9、10分別為A孔供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。如圖8所示，供水溫度在運行5～6個小時后已經(jīng)趨于穩(wěn)定，溫度在32.8±0.3℃范圍內波動，而圖8、9顯示，A井夏季排熱工況的模擬在運行50多個小時后趨于穩(wěn)定，最后20個小時內變化很小，達到穩(wěn)定的狀態(tài)，由此可見，地下?lián)Q熱達到相對穩(wěn)定的時間要遠遠長于供水溫度達到穩(wěn)定的時間。如圖10所示，測試期間流量一直穩(wěn)定在1.8-1.95m3/h期間，達到測試要求標準1.8-2.0m3/h。通過計算供水溫度在最后穩(wěn)定的12小時內平均溫度為32.76℃，回水溫度均值為30.65℃，供回水溫度差為圖8A孔供回水溫度隨時間變化圖圖9A孔換熱量隨時間變化圖圖10A孔流量隨時間變化圖b)B孔夏季工況圖11、12、13所示的分別為B孔供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。如上圖10和下圖13是Ａ、Ｂ孔流量隨時間變化圖，圖中顯示流量在所要求的1.8-2.0m3/h的范圍內波動，此B孔夏季工況測試是在做完恒熱流3.6kW工況,供水溫度升至28℃后，直接進行夏季穩(wěn)定工況測試的，下圖11明顯示出供水溫度只需要2～3小時，根據(jù)圖8、9所示，B井夏季取熱工況的模擬在運行11～12小時后就趨于穩(wěn)定，因為經(jīng)過恒熱流工況后，地下的傳熱在供水溫度28℃時，已經(jīng)達到一個動態(tài)的平衡，當供水溫度升至33℃左右時，地下傳熱建立新的平衡時間就較短。如圖13所示，測試期間B井流量一直穩(wěn)定在1.85-2.0m3/h期間，達到測試要求標準1.8-2.0m3/h。通過計算供水溫度在最后穩(wěn)定的12小時內平均溫度為33.22℃，回水溫度均值為31.03℃，供回水溫差為2.圖11B孔供回水溫度隨時間變化圖圖12B孔換熱量隨時間變化圖圖13B孔流量隨時間變化圖c)夏季工況總結將Ａ、Ｂ兩孔的夏季工況測試結果進行匯總，匯總結果見下表5。表5夏季工況測試結果匯總表鉆孔標號供水溫度（℃）回水溫度（℃）流量（m3/h）流速（m/s）溫度波動（℃）總換熱量（kW）A孔32.7630.651.8810.58±0.34.62B孔33.2231.031.9270.59±0.24.922)地埋管換熱器換熱能力分析根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可計算兩孔的單位深度換熱量，計算結果見下表6所示。Ａ、Ｂ兩孔的單位延米換熱量分別為49.95W/m和53.02W/m。表6夏季工況單位延米換熱量鉆孔標號供水溫度（℃）回水溫度（℃）孔深（m）單位延米換熱量（W/m）A孔32.7630.6592.549.95B孔33.2231.0392.853.025.4冬季工況測試冬季工況測試的是熱泵系統(tǒng)冬季熱泵的供熱工況：取熱試驗應用于冬天的熱泵供熱工況。在冬天，地源熱泵以地下巖土蓄熱體作為熱源，通過埋設的地埋管換熱器從地下土壤層收取熱量，再輸送到各個房間。測量地埋管冬天的傳熱功率，就是根據(jù)地源熱泵設備運行的標準工況所對應冷凝溫度的冷凝器出水溫度，擬定某流量進行模擬運行試驗實測值。測試試驗持續(xù)運行，直至回水溫度與地埋管換熱器的換熱量趨于穩(wěn)定，近似不再變化。1)測試結果a)A孔冬季工況圖14、15、16分別為A孔冬季工況測試供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。圖16顯示了流量在1.8～1.95m3/h范圍內波動，滿足要求。供水溫度同樣是在運行5～6個小時后趨于穩(wěn)定，溫度在5±0.2℃范圍內波動，而圖14、15顯示，A井冬季取熱工況的模擬在運行50多個小時后趨于穩(wěn)定，同夏季放熱工況得到的結論相同：供水溫度達到穩(wěn)定的時間要遠遠小于地下?lián)Q熱達到穩(wěn)定的時間。供水溫度在最后穩(wěn)定的12小時內平均溫度為5.07℃，回水溫度均值為6.44℃，供回水溫差為圖14A孔供回水溫度隨時間變化圖圖15A孔換熱量隨時間變化圖圖16A孔流量隨時間變化圖b)B孔冬季工況圖11、12、13所示的分別為B孔供回水溫度、換熱量、流量隨時間變化圖。圖19亦顯示流量在所要求的1.8-2.0m3/h的范圍內波動。通過計算供水溫度在最后穩(wěn)定的12小時內平均溫度為4.87℃，回水溫度均值為6.13℃，供回水溫差為1.26℃，換熱量均值為圖17A孔供回水溫度隨時間變化圖圖18B孔換熱量隨時間變化圖圖19B孔流量隨時間變化圖c)冬季工況總結將Ａ、Ｂ兩孔的夏季工況測試結果進行匯總，匯總結果見下表7。表7冬季工況測試結果匯總表鉆孔標號供水溫度（℃）回水溫度（℃）流量（m3/h）流速（m/s）溫度波動（℃）總換熱量（kW）A孔5.076.441.8760.58±0.22.99B孔4.876.131.9450.60±0.22.862)地埋管換熱器換熱能力分析根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可計算兩孔的單位深度換熱量，計算結果見下表8所示。Ａ、Ｂ兩孔的單位延米換熱量分別為32.32W/m和30.82W/m。表8冬季工況單位延米換熱量鉆孔標號供水溫度（℃）回水溫度（℃）孔深（m）單位延米換熱量（W/m）A孔5.076.4492.532.32B孔4.876.1392.830.825.5穩(wěn)定熱流測試穩(wěn)定熱流測試就是采用電加熱器（或制冷機）提供穩(wěn)定熱量（或冷量），記錄地埋管換熱器的溫度響應情況，并利用模型計算巖土熱物性情況。本測試工程采用電加熱器提供穩(wěn)定熱量，通過記錄地埋管換熱器供回水溫度、流量等參數(shù)，利用線源模型來計算巖土的熱物性參數(shù)。由于穩(wěn)定熱流測試屬于輔助測試，所以本測試工程只對B孔使用該方法進行測試。1）計算方法用來估計地下土壤特性的方法通常有線源法、柱源法、參數(shù)估計法等。熱響應測試數(shù)據(jù)處理最簡單的方法是1996年EKL?F和GEHLIN提出的線源理論。即在一定的輸入熱量下，土壤熱交換器周圍的溫度場可以描述為沿一線源溫度與時間和半徑的方程。測量土壤熱交換器中流體的溫度，得到流體和鉆孔壁溫的關系式：Tf流體溫度隨時間變化的函數(shù)式可以寫為：Tf通過計算溫度與自然對數(shù)時間曲線斜率k可以得到溫度的熱響應規(guī)律：Tf式中，Tf——流體溫度，℃；Tb——鉆孔壁面溫度，℃；T0——無干擾地溫，℃；t——測試時間，s；r——鉆孔半徑，m；q——單位井深釋熱量，W/m；a——熱擴散率，m2/s；Rb——鉆孔熱阻，K/W?m；λ——土壤導熱系數(shù)，2）加熱功率為3.6kW測試結果圖19為加熱功率為3.6kW時，穩(wěn)定熱流工況測試中，被測介質供、回水及計算的平均介質溫度示意圖。在最后穩(wěn)定的12小時內，供水溫度平均溫度為27.84℃，回水溫度均值為26.19℃，平均介質溫度為27.02℃。圖19B孔恒熱流工況溫度隨時間變化圖下圖20為加熱功率為3.6kW時，穩(wěn)定熱流工況測試中，平均介質溫度與自然對數(shù)時間擬合圖，擬合后得到溫度與對數(shù)時間的變化趨勢T-ln(t)的斜率為k=1.9768。由上式（3）可得λ=1.586W/m?K。安捷倫數(shù)據(jù)采集器測得的無干擾地溫T0=14.14℃，可計算出鉆孔熱阻Rb=0.141K/W?m，熱擴散率a=0.8675×10-6m2/s，利用加熱功率為3.6kW的數(shù)據(jù)和式（2）、（3）進行外推，當加熱功率為5.5kW時，當工況模擬達到穩(wěn)定是，平均介質溫度為33.04℃，加熱功率為7kW時，穩(wěn)定后平均介質溫度為37℃，當加熱功率為8.4kW時，當工況模擬達到穩(wěn)定是，平均介質溫度為42.16圖20B孔恒熱流工況溫度隨自然對數(shù)時間擬合圖3）加熱功率為8.4kW測試結果圖21為加熱功率為8.4kW時，穩(wěn)定熱流工況測試中，被測介質供、回水及計算的平均介質溫度示意圖。在最后穩(wěn)定的12小時內，供水溫度平均溫度為44.22℃，回水溫度均值為40.53℃，平均介質溫度為42.40℃，與上推算出來加熱功率為8.4kW是，平均介質溫度42.16℃吻合，所以推算結果具有參考價值。圖21B孔恒熱流工況溫度隨時間變化圖4）恒流法測試結果匯總表將恒溫法所得的數(shù)據(jù)進行計算，利用外推法得到的結果匯總見表9，表9顯示，由于進行測試的時間長短和溫度波動進度要求不同，測試所得的數(shù)據(jù)有很大的偏差。表9恒流法測試結果匯總表孔號平均介質溫度/℃流量m3/h流速m/s溫度波動±℃時間段小時總換熱量(kW)單位延米換熱量(W/m)B孔33.041.9270.58±0.2578-905.5/59.27B孔35.261.9270.58±0.6538-507/75.45.6測試結果1)加熱功率3.6kW與8.4KW的實驗結果相互驗證，表明測試的再現(xiàn)性。對溫度傳感器PT100與PT500的校驗精度，表明測試數(shù)據(jù)的準確性，所得測試數(shù)據(jù)的較小偏差，表明測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2)夏季測試工況中