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
1
目录
一、项目概况................................................................................................................3
二、地埋管换热器钻孔记录........................................................................................3
2.1钻孔设备 .............................................................................................................................3 2.2钻孔记录 .............................................................................................................................4
三、测试目的与设备....................................................................................................5
四、测试原理与方法....................................................................................................6
4.1岩土初始温度测试 .............................................................................................................6 4.2地埋管换热器换热能力测试 .............................................................................................8
五、测试结果与分析....................................................................................................9
5.1 测试现场布置 ....................................................................................................................9 5.2 测试时间 ............................................................................................................................9 5.3 夏季工况测试 ..................................................................................................................10 5.4 冬季工况测试 ..................................................................................................................14 5.5 稳定热流测试 ..................................................................................................................17 5.6 测试结果 ..........................................................................................................................20 5.7 结果分析 ..........................................................................................................................20
2
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3.6万平方米
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92.5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92.8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
2.1钻孔设备
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7.5kW，大泵功率7.5～13kW，泥浆泵功率7.5kW，排
3
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
2.2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92.5m。下表为A孔的钻孔记录。
表1 A孔的钻孔记录表
时间 7:30～8:30 8:30～10:00 10:00～15:00 15:00～18:00 18:00～19:30 19:30～22:40 22:40～0:20 2:00～9:15
地层深度（m）
0～28 28～49 49～52 52～58 58～62 62～83 83～90 90～92.5
岩土特性描述 20m出现一个硬层 49m开始卵石层
卵石层 粗砂层 泥沙层 卵石层和泥沙层 卵石层和泥沙层
卵石层
地层厚度(m)
28 49 52 58 62 83 90 92.5 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1.6MPa，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1.6MPa，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，
4
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93.5m，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2.7m），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92.8m。下表为B孔的钻孔记录。
表2 B孔的钻孔记录表
时间 10:50～12:30 12:30～13:20 13:20～15:40 15:40～22:50 18:00～19:30 5:30～7:10
地层厚度（m）
0～28 28～33 33～48 48～71 71～82 82～92.8
岩土特性描述 黄土层
夹杂大颗粒沙子的硬土 一层软一层硬的泥沙层
泥土层 泥沙层 卵石层和泥沙层
地层厚度(m)
28 33 48 71 82 92.8 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1.6MPa，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1.6MPa，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，
5
供水温度通过自动控制系统保持恒定，误差为±0.2℃；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。
制冷 机组 恒温水箱 5-50℃ 流量计 控制系统
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
4.1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
6
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92.5m，从井底自上共布置温度传感器10个，间隔为10m。B孔孔深92.8m，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
7
图5 数据采集实物图
4.2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。
8
图6 稳定工况示意图 表3 稳定工况测试参数表
工况 模拟夏季工况 模拟冬季工况 试验 放热 取热
供水温度（℃） 回水温度(℃) 流量（m3/h） 总传热量（kW）
33 5
— —
1.8-2.0 1.8-2.0
— —
五、测试结果与分析
5.1 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
5.2 测试时间
9
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
A孔夏季工况的模拟测试 A孔冬季工况的模拟测试 B孔加热功率为3.6kW模拟测试
B孔夏季工况的模拟测试 B孔冬季工况的模拟测试 B孔加热功率为8.4kW模拟测试
测试时间 10月14日～10月17日 10月18日～10月22日 10月23日～10月27日 10月27日～10月29日
11月5日～11月8日 11月11日～11月14日
测试时长/小时
75 100 90 56 74 75 5.3 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32.8±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1.8-1.95m3/h期间，达到测试要求标准1.8-2.0m3/h。通过计算供水温度在最后稳定的12小时内平均温度为32.76℃，回水温度均值为30.65℃，供回水温度差为2.11℃，平均换热量均值为4.62kW。
10
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
11
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1.8-2.0 m3/h的范围内波动，此B孔夏季工况测试是在做完恒热流3.6kW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。如图13所示，测试期间B井流量一直稳定在1.85-2.0m3/h期间，达到测试要求标准1.8-2.0m3/h。通过计算供水温度在最后稳定的12小时内平均温度为33.22℃，回水温度均值为31.03℃，供回水温差为2.19℃，换热量均值为4.92kW。
图11 B孔供回水温度随时间变化图
12
图12 B孔换热量随时间变化图
图13 B孔流量随时间变化图
c) 夏季工况总结
将Ａ、Ｂ两孔的夏季工况测试结果进行汇总，汇总结果见下表5。
表5 夏季工况测试结果汇总表
钻孔标号 供水温度（℃）
A孔 B孔 32.76 33.22
回水温度（℃） 30.65 31.03
流量
流速
温度波动 （℃） ± 0.3 ± 0.2
总换热量（kW） 4.62 4.92
（m3/h） （m/s） 1.881 1.927
0.58 0.59 2) 地埋管换热器换热能力分析
根据测试数据，可计算两孔的单位深度换热量，计算结果见下表6所示。Ａ、Ｂ两孔的单位延米换热量分别为49.95W/m和53.02W/m。
表6 夏季工况单位延米换热量
13
钻孔标号 供水温度（℃） 回水温度（℃） 孔深（m） A孔 B孔 32.76 33.22
30.65 31.03
92.5 92.8
单位延米换热量（W/m）
49.95 53.02 5.4 冬季工况测试
冬季工况测试的是热泵系统冬季热泵的供热工况：取热试验应用于冬天的热泵供热工况。在冬天，地源热泵以地下岩土蓄热体作为热源，通过埋设的地埋管换热器从地下土壤层收取热量，再输送到各个房间。测量地埋管冬天的传热功率，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 a) A孔冬季工况
图
14、
15、16分别为A孔冬季工况测试供回水温度、换热量、流量随时间变化图。图16显示了流量在1.8～1.95m3/h范围内波动，满足要求。供水温度同样是在运行5～6个小时后趋于稳定，温度在5±0.2℃范围内波动，而图
14、15显示，A井冬季取热工况的模拟在运行50多个小时后趋于稳定，同夏季放热工况得到的结论相同：供水温度达到稳定的时间要远远小于地下换热达到稳定的时间。供水温度在最后稳定的12小时内平均温度为5.07℃，回水温度均值为6.44℃，供回水温差为1.37℃，换热量均值为2.99kW。
图14 A孔供回水温度随时间变化图
14
图15 A孔换热量随时间变化图
图16 A孔流量随时间变化图
b) B孔冬季工况
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。图19亦显示流量在所要求的1.8-2.0 m3/h的范围内波动。通过计算供水温度在最后稳定的12小时内平均温度为4.87℃，回水温度均值为6.13℃，供回水温差为1.26℃，换热量均值为2.86kW。
15
图17 A孔供回水温度随时间变化图
图18 B孔换热量随时间变化图
图19 B孔流量随时间变化图
16
c) 冬季工况总结
将Ａ、Ｂ两孔的夏季工况测试结果进行汇总，汇总结果见下表7。
表7 冬季工况测试结果汇总表
钻孔标号 供水温度（℃）
A孔 B孔 5.07 4.87
回水温度（℃） 6.44 6.13
流量
流速
温度波动 （℃） ± 0.2 ± 0.2
总换热量（kW） 2.99 2.86
（m3/h） （m/s） 1.876 1.945
0.58 0.60 2) 地埋管换热器换热能力分析
根据测试数据，可计算两孔的单位深度换热量，计算结果见下表8所示。Ａ、Ｂ两孔的单位延米换热量分别为32.32W/m和30.82W/m。
表8 冬季工况单位延米换热量
钻孔标号 供水温度（℃） 回水温度（℃） 孔深（m） A孔 B孔 5.07 4.87
6.44 6.13
92.5 92.8
单位延米换热量（W/m）
32.32 30.82 5.5 稳定热流测试
稳定热流测试就是采用电加热器（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。本测试工程采用电加热器提供稳定热量，通过记录地埋管换热器供回水温度、流量等参数，利用线源模型来计算岩土的热物性参数。由于稳定热流测试属于辅助测试，所以本测试工程只对B孔使用该方法进行测试。
1）计算方法
用来估计地下土壤特性的方法通常有线源法、柱源法、参数估计法等。热响应测试数据处理最简单的方法是1996年EKLÖF 和 GEHLIN提出的线源理论。即在一定的输入热量下，土壤热交换器周围的温度场可以描述为沿一线源温度与时间和半径的方程。测量土壤热交换器中流体的温度，得到流体和钻孔壁温的关系式：
流体温度随时间变化的函数式可以写为：
17
(1)
（2）
通过计算温度与自然对数时间曲线斜率k可以得到温度的热响应规律：
式中，——流体温度，℃；
(3)
——钻孔壁面温度，℃；
——无干扰地温，℃；t——测试时间，s；r——钻孔半径，m；——单位井深释热量，W/m；——热扩散率，m2/s；——钻孔热阻，K/Wm；——土壤导热系数，W/mK。 2）加热功率为3.6kW测试结果
图19为加热功率为3.6kW时，稳定热流工况测试中，被测介质供、回水及计算的平均介质温度示意图。在最后稳定的12小时内，供水温度平均温度为27.84℃，回水温度均值为26.19℃，平均介质温度为27.02℃。
图19 B孔恒热流工况温度随时间变化图
下图20为加热功率为3.6kW时，稳定热流工况测试中，平均介质温度与自然对数时间拟合图，拟合后得到温度与对数时间的变化趋势T-ln(t)的斜率为k=1.9768。由上式（3）可得的无干扰地温
=1.586 W/mK。安捷伦数据采集器测得
=0.141 K/Wm，热扩散率
=14.14℃，可计算出钻孔热阻
=0.867510-6 m2/s，利用加热功率为3.6kW的数据和式（2）、（3）进行外推，当加热功率为5.5kW时，当工况模拟达到稳定是，平均介质温度为33.04℃，加热功率为7kW时，稳定后平均介质温度为37℃，当加热功率为8.4kW时，当工况模拟达到稳定是，平均介质温度为42.16℃。
图20 B孔恒热流工况温度随自然对数时间拟合图
3）加热功率为8.4kW测试结果
图21为加热功率为8.4kW时，稳定热流工况测试中，被测介质供、回水及计算的平均介质温度示意图。在最后稳定的12小时内，供水温度平均温度为44.22℃，回水温度均值为40.53℃，平均介质温度为42.40℃，与上推算出来加热功率为8.4kW是，平均介质温度42.16℃吻合，所以推算结果具有参考价值。
图21 B孔恒热流工况温度随时间变化图
4）恒流法测试结果汇总表
19
将恒温法所得的数据进行计算，利用外推法得到的结果汇总见表9，表9显示，由于进行测试的时间长短和温度波动进度要求不同，测试所得的数据有很大的偏差。
表9 恒流法测试结果汇总表
孔号平均介质温度/℃
B孔
B孔 33.04 35.26
流量 m3/h 1.927 1.927
流速 温度波动 m/s 0.58 0.58
±℃ ±0.25 ±0.65
时间段 小时 78-90 38-50
总换热量(kW) 单位延米换热量(W/m)
5.5/59.27 7/75.4 5.6 测试结果
1) 加热功率3.6kW与8.4KW的实验结果相互验证，表明测试的再现性。对温度传感器PT100与PT500的校验精度，表明测试数据的准确性，所得测试数据的较小偏差，表明测试系统的稳定性。
2) 夏季测试工况中，A号孔具有的排热能力为49.95[W/延米]；B孔具有的排热能力为53.02[W/延米]。
3) 冬季模拟工况中，A孔具有的取热能力为32.32[W/延米]；B孔具有的取热能力为30.82 [W/延米]。
4) 测试地地下土壤物干扰地温为14.14℃，岩土体综合导热系数λ为 1.586 W/mK。采用恒热流法进行相关的拟合，当加热功率为5.5kW稳定时，平均介质温度为33.04℃，采用恒流法要比恒温法得出的结果略大些，二者相差10%左右。
5.7 结果分析
1) 虽然A、B两钻孔的回填材料和回填量不同，但由于钻孔周围土壤塌陷，A、B两钻孔夏季工况测试、冬季测试的偏差仅为6%和3%。
2) 现场钻孔时钻出来的地下泥浆含砂量较低，地下含沙量低则地下传热性能较差，因此所得的地下换热器换热能力比一般的经验值偏低，图22为地下泥浆图。
20
图22 地下泥浆图
3)采用恒流法要比恒温法得出的结果大10%左右的原因是：恒流法的计算模型的偏差。现有模型多采用现行热源模型，而实际情况应为柱状模型，据文献分析两者的计算偏差最大可达到14%左右。本实验的偏差为10%；
4) 恒温时间的影响：根据恒温曲线特征判断，恒温时间越长，温度越稳定，则热流量越小。因此不同时段测取得数据回归的值是不同的，时段越长，λ值就越小，因此延米的取放热量值也就越小；本实验测量时间长于一般实验的50小时，温度稳定性能较高，由此获取的数据真实性较好；
5) 由于恒温法的数据客观准确，另外其监测的长期性特点，并可在使用过程中不断监测和控制地源井的使用状况，建议选用该方法测得的数据作为设计依据；
6)建议设计参考值问题：实际系统运行时，井的运行时段通常是间歇运行的，因此完全进入稳定时间段的情况不多，因此无需选取极限数据作为设计标准。为此建议测量数据的整理可给出两种参考值，以兼顾工程费用和实际运行的需求。
21
