石家庄文化园岩土热响应试验报告河北省地矿局第三水文工程地质大队河北省地热资源开发研究所2011年11月石家庄文化园岩土热响应试验报告

http://www.hebeidire.com13903185176第1页共12页目录1、概况..........................................................................................................................22、主要规范、标准......................................................................................................23、试验目的..................................................................................................................24、试验原理..................................................................................................................35、成孔及地层情况......................................................................................................46、试验内容及结果分析..............................................................................................67、结论........................................................................................................................11石家庄文化园岩土热响应试验报告

http://www.hebeidire.com13903185176第2页共12页1、概况测试时间：2011年8-9月、11月测试地点：位于石家庄测试对象：针对3个试验孔进行岩土热响应试验。试验孔及埋管参数见下表：1#孔2#孔3#孔钻孔深度120m116m104m孔径150mm110mm110mm下管深度120m116m104m埋管形式双U型单U型单U型管材De32HDPE100De32HDPE100De32HDPE100回填材料岩粉岩粉岩粉试验内容：土壤原始温度测试和夏季排热工况测试。2、主要规范、标准规范、标准名称编号《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009年版）《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101-2004《室外给水设计规范》GB50013-2006《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009年局部修订）《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008《供水水文地质钻探与凿井操作规程》CJJ13-873、试验目的（1）通过钻凿试验孔，记录试验孔的成孔情况，确定换热孔的钻进难度和适宜的钻井工具；（2）通过地层编录和物探测井两种方法获得项目所在地的地质资料，绘制项目场区钻孔测井曲线图；石家庄文化园岩土热响应试验报告http://www.hebeidire.com13903185176第3页共12页（3）通过进行热响应试验获得当地岩土体的热物性参数、换热孔的延米换热量等参数；（4）根据现场钻凿试验孔的过程和热响应试验结果，确定该项目土壤换热器适宜的设计深度。4、试验原理土壤换热器测试土壤原始温度时，将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的HDPE管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环，这时仪器内的加热器不开启。当数据采集系统采集到的供、回水温度达到稳定状态时，所得的温度即为地下土壤的平均温度。土壤换热器测试简单模拟地源热泵空调系统夏季制冷的运行模式时，将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的HDPE管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环，同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环，加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中，将供、回仪器的温度、流量和加热器的加热功率进行采集记录，来进行分析计算土壤的热物性参数。原理如下图：图1测试原理图石家庄文化园岩土热响应试验报告

http://www.hebeidire.com13903185176第4页共12页5、成孔及地层情况试验孔采用潜孔锤进行钻孔，3个试验孔成孔深度分别为120m、116m和104m。本次1#孔钻孔由于对详细地层情况掌握的不够充分，火山岩地层构造裂隙发育，同时由于遇到雨天施工，使得该孔的成孔时间较长，成孔时间约为3天；2#孔和3#孔的实际钻探时间均为24h左右。通过该试验孔知道，该项目所在地在钻孔深度范围内为第四系和火山岩地层。第四系厚度约为24米左右，以下地层为侏罗系火山岩。该区在20-40米区间第四系与火山岩地层接触带部位有孔隙水，60-80米侏罗系地层构造裂隙发育，有较丰富的构造裂隙水，岩层较为破碎，钻探过程中有坍塌掉块、卡钻、别钻等情况发生，钻探难度较大。在下管前，要进行扫孔，确保安全后方能下管，成孔难度大。成孔过程中记录地层情况，并在钻孔结束后进行视电阻率测试，得到该地详细的地层情况。下图2和图3分别为现场测试图片和通过进行视电阻测井得到的测井曲线图：图2现场测试图片石家庄文化园岩土热响应试验报告

http://www.hebeidire.com13903185176第5页共12页孔 号测井编号测井仪器操 作孔 位井液性质测井深度制 图孔 深钻机类型测井单位解 释孔 径液面深度测井时间审 核测 井 解 释（m）深度地层时代岩性层底深度（m）视 电 阻 率 法 测 井 曲 线A1.0 M0.2N层厚（m）102030405060708090100(Ω.M）20406080100120红楼-1x:4473457Y:20470808 空 气120m121m潜孔锤河北地热0 2011.8.24吴立庆岩 性剖 面第四系(Q)2细砂1801030507090110徐 鹏粘土砂岩130140110120130红楼-1侏罗系（J）粉砂中砂粘土徐 鹏徐 鹏石家庄文化园岩土热响应试验报告

http://www.hebeidire.com13903185176第6页共12页图3视电阻率法测井曲线图6、试验内容及结果分析首先对土壤原始温度进行测试，然后对土壤换热器进行夏季排热工况测试。土壤原始温度测试的时间是从8月28日11:12至8月29日12:20，测试持续时间约为25小时；1#孔排热工况测试时间是从8月29日13:12至9月1日10:20，测试持续时间约为69小时；2#孔排热工况测试时间是从11月10日17:06至11月13日12:22，测试持续时间约为67小时；石家庄文化园岩土热响应试验报告http://www.hebeidire.com13903185176第7页共12页3#孔排热工况测试时间是从11月14日14:10至11月17日17:50，测试持续时间约为75小时。6.1、土壤原始温度测试试验结果如下：图4土壤原始温度测试地埋管供、回水温度变化曲线6.2、夏季排热工况测试6.2.1、1#孔夏季工况试验结果如下：图5排热工况测试地埋管供、回水温度、流量及温差变化曲线石家庄文化园岩土热响应试验报告http://www.hebeidire.com13903185176第8页共12页6.2.2、2#孔夏季工况试验结果如下：图6排热工况测试地埋管供、回水温度、流量及温差变化曲线6.2.3、3#孔夏季工况试验结果如下：图7排热工况测试地埋管供、回水温度、流量及温差变化曲线6.3、试验工况下换热孔的换热量和综合换热系数1#试验孔夏季排热工况测试每延米换热量及换热孔的综合换热系数计算结果如下图所示：石家庄文化园岩土热响应试验报告http://www.hebeidire.com13903185176第9页共12页图81#试验孔每延米换热量及换热孔综合换热系数变化曲线图92#孔每延米换热量及换热孔综合换热系数变化曲线图103#孔每延米换热量及换热孔综合换热系数变化曲线石家庄文化园岩土热响应试验报告http://www.hebeidire.com13903185176第10页共12页6.4、设计工况下换热孔的换热量计算结果见下表。6.5、土壤热物性参数1#孔本项目采用定功率法进行试验，1#孔定加热功率约为Q=7.14kW，埋管深度H=120m，管内流体平均温度与时间对数进行线性拟合的结果见下图：图111#孔平均温度线性拟合曲线2#孔2#定加热功率约为Q=6.4kW，埋管深度H=116m，管内流体平均温度与时间对数进行线性拟合的结果见下图：图122#孔平均温度线性拟合曲线石家庄文化园岩土热响应试验报告http://www.hebeidire.com13903185176第11页共12页3#孔3#定加热功率约为Q=5.71kW，埋管深度H=104m，管内流体平均温度与时间对数进行线性拟合的结果见下图：图133#孔平均温度线性拟合曲线可见该处土壤具有很好的吸热和释热作用，通过换热模型计算得到的土壤导热系数较通过物理方法得到的数值稍微偏大，这主要是由于该区地下土壤含有较为丰富的地下水，有利于地埋管换热器与周围土壤之间换热过程的进行。本报告通过换热模型计算得到土壤导热系数为考虑了地下水流动对换热影响后得到的数值。7、结论（1）通过钻凿试验孔知道，本项目适宜使用潜孔锤钻机进行成孔。（2）通过3个试验孔的钻探，建议该地区换热孔以100米深度为宜。（3）项目所在地，在钻孔深度范围内地层以侏罗系火山岩为主，岩层较为破碎，钻探过程中有坍塌掉块、卡钻、别钻等情况发生，钻探难度较大。（4）通过土壤原始温度的测试，本项目室外岩土体的原始温度为15℃。（5）通过对岩土体热响应测试数据的分析整理，确定：双U型室外换热孔综合换热系数参考值为4.18W/(m·℃)；设计工况下土壤换热器的换热能力：夏季工况，延米排热量参考值为73.1W/m；冬季工况，延米取热量参考值为39.68W/m。石家庄文化园岩土热响应试验报告

http://www.hebeidire.com13903185176第12页共12页单U型室外换热孔综合换热系数参考值为3.29W/(m·℃)；设计工况下土壤换热器的换热能力：夏季工况，延米排热量参考值为57.60W/m；冬季工况，延米取热量参考值为31.27W/m。（6）通过采用简化后的传热模型计算得到该地土壤的热物性参数，土壤导热系数约为2.61（w/（m·k））。建议：1）换热孔采用潜孔锤钻机进行钻孔，孔深设计以100米为宜；2）由于该地区岩层较为破碎，钻探过程中有坍塌掉块、卡钻、别钻等情况发生，在钻探过程中应时时注意钻探风险并采取相应的保护措施。