石家庄地源测试项目岩土热响应研究测试报告天津大学环境学院2010年11月21日石家庄地源测试项目岩土热响应研究测试报告测试人员：编制人：审核人：测试单位：天津大学环境学院报告时间： 2010年11月21日目录一、项目概况 (3)二、地埋管换热器钻孔记录 (3)钻孔设备 (3)钻孔记录 (4)三、测试目的与设备 (6)四、测试原理与方法 (7)岩土初始温度测试 (7)地埋管换热器换热能力测试 (8)五、测试结果与分析 (10)测试现场布置 (10)测试时间 (10)夏季工况测试 (11)冬季工况测试 (15)稳定热流测试 (18)测试结果 (21)结果分析 (22)一、项目概况建设单位：河北省电力研究院建设地点：石家庄建筑规模：建筑面积万平方米工程名称：地源热泵系统地埋管换热器岩土热响应试验工程工程总体工作量：根据本工程特点和场地范围内的岩土层物理、力学性质，地源热泵地埋管换热器地热响应埋管测试采用双U竖直埋管形式，GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》（2009年版）中，对地源热泵系统的前期勘察测试工作做了补充规定：3000～5000m2宜进行测试，5000m2以上应进行测试，10000m2以上测试孔数量不应少于2个。
本工程根据实际状况，在场区内测试钻孔2个，具体位置由建设单位会同设计院现场确定，实际测试孔参数如下：1）A孔：双U管 DN32，孔径298mm，钻孔深度为自然地面以下米，采用膨润土、细沙与原浆混合比例为1:3:3作回填材料回填。
2) B孔：双U管DN32，孔径300mm，钻孔深度为自然地面以下米，采用原浆与细砂混合物回填材料回填。
工作量范围：1）地埋管换热器钻孔施工；2）地埋管换热器埋管施工；3）实验测试；4）撰写测试报告，提供设计院图纸设计所需的测试报告等资料。
二、地埋管换热器钻孔记录钻孔设备v1.0 可编辑可修改地埋管换热器钻孔设备采用TB50型反循环打井机械设备（5吨型打井设备），主机使用电机功率，大泵功率～13kW，泥浆泵功率，排泥浆泵功率为3kW，钻孔设备实物如图1所示。
图1 钻孔设备实物图钻孔记录1）A孔钻孔日期为2010年10月10日～2010年10月11日，钻孔直径为298mm，孔深。
下表为A孔的钻孔记录。
表1 A孔的钻孔记录表时间地层深度（m）岩土特性描述地层厚度(m) 7:30～8:300～2820m出现一个硬层288:30～10:0028～4949m开始卵石层4910:00～15:0049～52卵石层5215:00～18:0052～58粗砂层5818:00～19:3058～62泥沙层6219:30～22:4062～83卵石层和泥沙层8322:40～0:2083～90卵石层和泥沙层902:00～9:1590～卵石层垂直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验，2010年10月11日6:30开始打压，压力为，稳压6小时，无泄漏现象。
2010年10月11日上午10:00开始洗井，下午13:00结束，洗井完毕后，将垂直地埋管换热器插入钻孔（简称下管），14：30下管完毕，对其进行打压，压力为，稳压20min，无泄漏现象，15:00采用膨润土、细沙与原浆混合比例为1:3:3作回填材料回填，16:00回填完毕，但在回填的过程中，因为膨胀土膨胀、粘稠，回填材料填的不是很充足。
2）B孔B孔钻孔工作开始于2010年10月12日7:00,18:10停止钻孔，钻孔深度为，由于操作人员的疏忽，在从钻孔中提出钻杆的过程中将11根钻杆掉到所打的钻孔中（每根钻杆），经过和设计单位协商，将钻孔B的位置定于原位置正西5m 处。
钻孔日期为2010年10月13日～2010年10月14日，钻孔直径为300mm，孔深。
下表为B孔的钻孔记录。
表2 B孔的钻孔记录表时间地层厚度（m）岩土特性描述地层厚度(m) 10:50～12:300～28黄土层2812:30～13:2028～33夹杂大颗粒沙子的硬土3313:20～15:4033～48一层软一层硬的泥沙层4815:40～22:5048～71泥土层7118:00～19:3071～82泥沙层825:30～7:1082～卵石层和泥沙层垂直地埋管换热器插入钻孔前，做第一次水压试验，2010年10月12日9:20开始打压，压力为，稳压5小时，无泄漏现象。
2010年10月14日7:30开始洗井， 8:30洗井结束，8:40开始下管，9:20下管完毕，对其进行打压，压力为，稳压25min，无泄漏现象，9:45开始回填，采用原浆与细砂混合物回填材料回填，10:50回填完毕。
三、测试目的与设备通过本次测试，获得埋管区域内土壤综合初始地温、埋管与岩土体的实际换热能力，为地源热泵系统的设计提供依据。
地源热泵模拟工况条件的设备由恒温加热水箱（变频控制）、风冷制冷机组（变频控制，电子膨胀阀）、水泵、流量调节阀、流量计、温度传感器、压力传感器、温度采集仪及监测、记录仪表组成，可用来模拟夏季排热工况和冬季取热工况。
系统运行稳定：地埋管内流量、供水温度依据设计要求可手工调节设定，供水温度通过自动控制系统保持恒定，误差为±℃；加热器与压缩机可双工况同时运行，自动起停，也可手动操作。
试验采用计算机数据采集，每隔5秒钟采集一次数据，自动存储数据。
系统流程如图2所示，测试系统实物图如图3所示。
图2 测试系统流程图图3 测试系统实物图四、测试原理与方法岩土初始温度测试在众多的设计参数之中，被认为最容易测定也是最容易被忽略的就是岩土初始平均温度。
众所周知，温差是热量传递的驱动。
对于地源热泵的地埋管换热系统，地埋管换热器的平均温度与岩土平均温度的温差是热量传递的驱动力。
因此，做好岩土初始平均温度的测定工作对于地埋管换热器的设计非常重要。
《规范》规定，岩土初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法。
测定的布置宜在地埋管换热器埋设深度范围内，且间隔不宜大于10m；以各测点实测温度的算术平均值作为岩土初始平均温度。
本测试工程采用垂直布置温度传感器法，沿PE管外部深度方向上布置温度传感器PT100，通过实时监测温度传感器的监测数据，确定不同深度地层的温度，最终以所测的不同深度地层的温度的算术平均值最为岩土初始温度。
A孔孔深，从井底自上共布置温度传感器10个，间隔为10m。
B孔孔深，从井底自上共布置温度传感器12个，间隔为8m。
温度传感器的布置图如图4所示。
使用安捷伦数据采集仪作为二次测温元件，通过RS232数据连接线与笔记本电脑连接，笔记本电脑将自动采集数据，每30秒采集一次数据，数据采集实物图如图５所示。
图4 温度传感器布置图图5 数据采集实物图地埋管换热器换热能力测试对地源热泵系统地埋管换热器换热能力的测试有两种方式，一种是稳定热流模拟实验（简称恒流法），另一种是稳定工况模拟实验（简称恒温法）。
稳定热流模拟试验，也称为“热响应测试”或“岩土热物性测试”，采用电加热器（或制冷机）提供稳定热量（或冷量），记录地埋管换热器的温度响应情况，并利用模型计算岩土热物性情况。
该方法的优点是：测试设备结构简单；相关理论研究成果多，理论依据充分。
缺点：传热模型存在适应性问题，假设条件与实际地质情况差距较大；需要多次模型计算，增加误差累计；计算具有较强专业性，掌握程度不同等。
稳定工况模拟实验，也称为“冷、热响应测试”，采用风冷热泵建立稳定的地埋管换热器运行工况，也可计算岩土体热物性参数，并直观获得地埋管换热器每延米换热量，也用于计算地埋管换热器的综合传热系数。
该方法的优点是：优点：测试结果直观；设计结果可校核。
缺点:相关理论研究成果较少，忽略管井间热干扰和非稳态传热因素；测试设备复杂等。
综合考虑，本测试工程采用稳定工况法，稳定工况测试示意图如图6所示，表3为稳定工况的测试参数。
为了进一步探寻岩土热响应方法对实际换热能力的影响，对B孔的测试，采用了稳定工况法和稳定热流法两种方式，并将二者的测试结果进行深层次的探讨，为地埋管的设计和施工提供更可靠的指导。
图6 稳定工况示意图表3 稳定工况测试参数表工况试验供水温度（℃）回水温度流量（m3/h）总传热量（kW）(℃)模拟夏季工况放热33——v1.0 可编辑可修改模拟冬季工况取热5——五、测试结果与分析测试现场布置测试工作中，一个工况的测试至少要连续运行48小时，为了保证测试工作的顺利进行，搭建了帐篷作为遮挡棚，在遮挡棚内进行相关的测试工作，帐篷的四个侧面可以完全打开和关闭，以便制冷机组的通风散热。
现场的布置图如下图7所示。
图7 测试现场布置图测试时间测试时间及与之相应的测试工作见表4表4 测试工作时间表测试内容测试时间测试时长/小时A孔夏季工况的模拟测试10月14日～10月17日75A孔冬季工况的模拟测试10月18日～10月22日100B孔加热功率为模拟测试10月23日～10月27日90B孔夏季工况的模拟测试10月27日～10月29日56B孔冬季工况的模拟测试 11月5日～11月8日74B孔加热功率为模拟测试11月11日～11月14日75夏季工况测试夏季工况测试的是热泵系统夏天热泵制冷工况：空调系统通过制冷设备把各房间的热量抽取出来，通过地埋管换热器排向地下土壤。
测量地埋管在夏天的散热功率，就是根据地源热泵设备运行的标准工况所对应冷凝温度的冷凝器出水温度，拟定某流量进行模拟运行试验实测值。
测试试验持续运行，直至回水温度与地埋管换热器的换热量趋于稳定，近似不再变化。
1) 测试结果循环水在地埋管中的进出口温差和传热量是由地埋PE管和水平连接管换热作用的结果。
由于在水平地面上的水平连接管较短并且用保温材料对其进行保温。
所以其对换热的效果影响较小，可近似的忽略。
a) A孔夏季工况图8、9、10分别为A孔供回水温度、换热量、流量随时间变化图。
如图8所示，供水温度在运行5～6个小时后已经趋于稳定，温度在±0.3℃范围内波动，而图8、9显示，A井夏季排热工况的模拟在运行50多个小时后趋于稳定，最后20个小时内变化很小，达到稳定的状态，由此可见，地下换热达到相对稳定的时间要远远长于供水温度达到稳定的时间。
如图10所示，测试期间流量一直稳定在-1.95m3h期间，达到测试要求标准-2.0m3h。
通过计算供水温度在最后稳定的12小时内平均温度为℃，回水温度均值为℃，供回水温度差为2.11℃，平均换热量均值为。
图8 A孔供回水温度随时间变化图图9 A孔换热量随时间变化图图10 A孔流量随时间变化图b) B孔夏季工况图11、12、13所示的分别为B孔供回水温度、换热量、流量随时间变化图。
如上图10和下图13是Ａ、Ｂ孔流量随时间变化图，图中显示流量在所要求的m3/h的范围内波动，此B孔夏季工况测试是在做完恒热流工况,供水温度升至28℃后，直接进行夏季稳定工况测试的，下图11明显示出供水温度只需要2～3小时，根据图8、9所示，B井夏季取热工况的模拟在运行11～12小时后就趋于稳定，因为经过恒热流工况后，地下的传热在供水温度28℃时，已经达到一个动态的平衡，当供水温度升至33℃左右时，地下传热建立新的平衡时间就较短。