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1、xxxxx地源热泵岩土热物性测试技术报告华中科技大学环境科学与工程学院地源热泵研究所华中科技大学建筑节能技术中心 二O一一年十月地源热泵岩土热物性测试技术报告项目名称：xxxxxx 地源热泵岩土热物性测试测试单位：华中科技大学环境科学与工程学院地源热泵研究所华中科技大学建筑节能技术中心测试时间：2011-10-11 2011-10-13目录1 测试目的和测试依据- 1 -1.1测试目的- 1 -1.2测试参考标准- 1 -2 测试原理与方法- 2 -2.1岩土热响应试验- 2 -2.2 现场测试方法- 5 -3 测试仪器和要求- 8 -3.1规要求- 8 -3.2测试单位测试用岩土热物性测试仪
2、及其检定/校准证书- 8 -3.3测试单位地源热泵岩土热物性测试技术研究成果- 9 -4 测试方案- 10 -4.1项目概况- 10 -4.2测试孔成孔条件- 10 -4.3岩土热响应试验测试步骤- 10 -5现场试验数据计算分析和测试结果- 11 -5.1岩土综合热物性参数- 11 -5.2钻孔单位延米（孔深）换热量参考值- 11 -附录 现场测试部分原始数据曲线图- 13 -1 测试目的和测试依据1.1测试目的对于地埋管地源热泵系统工程设计而言，最为关心的是地埋管换热系统的换热能力，这主要反映在地埋管换热器深度围的综合岩土导热系数和综合比热容两个参数上，是一个反映了岩土、地下水流等因素影响
3、的综合值。由于地质结构的复杂性和差异性，因此必须通过现场试验得到岩土综合导热系数和综合比热容等岩土热物性参数，供地埋管设计计算使用。在试验测得岩土综合导热系数和岩土初始平均温度的基础上，结合地埋管换热器钻孔回填材料、钻孔直径、埋管类型（单/双U）、埋管间距、运行份额、运行工况下地埋管中传热介质设计平均温度、运行时间等条件，计算得出测试条件下地埋管换热器单位孔深换热量参考值，指导地埋管地源热泵系统工程设计1.2测试参考标准地源热泵系统工程技术规（GB50366-2005）(2009年版)2 测试原理与方法2.1岩土热响应试验岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热或是取热试验，其数据处
4、理过程基本相同。因此本规中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。现有的主要计算方法，是利用反算法推导出岩土热物性参数。其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。其中，Tcal,i为第i时刻由模型计算出的埋管流体的平均温度；Texp,i为第i时刻实际测量的埋管中流体的平均温度；N为试验测量的数据的组数。也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。以下给出一种适用于单U形竖直地埋管换热器的分析方法，以供参考。地埋管换热器与周围岩土的换热
5、可分为钻孔传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环介质温度沿流程不断变化，循环介质平均温度可认为是埋管出入口温度的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。在定加热功率的条件下：2.1.1钻孔传热过程及热阻钻孔两根埋管单位长度的热流密度分别为q1和q2，根据线性叠加原理有：(2.1-1)式中Tf1, Tf2分别为两根埋管流体温度（）；Tb钻孔壁温度（）；R1, R2分别看作是两根管子独立存在
6、时与钻孔壁之间的热阻（mK/W）；R12两根管子之间的热阻（mK/W）。在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔部的，其中心距为D，因此有：(2.1-2)(2.1-3)其中埋管管壁的导热热阻Rp和管壁与循环介质对流换热热阻Rf分别为：, (2.1-4)式中di埋管径（m）；do埋管外径（m）；db钻孔直径（m）；p埋管管壁导热系数W/(mK)；b钻孔回填材料导热系数W/(mK)；s埋管周围岩土的导热系数W/(mK)；K循环介质与U形管壁的对流换热系数W/(m2K)。取为单位长度埋管释放的热流量，根据假设有：q1=q2=ql/2，Tf1=Tf2=Tf，则式(2.1-1)可表示为(2.1-5)
7、由式(C.3.8-2)( C.3.8-5)可推得钻孔传热热阻Rb为(2.1-6)同理可推得双U形钻孔传热热阻Rb表达式为 (2.1-7)2.1.2钻孔外传热过程及热阻当钻孔外传热视为以钻孔壁为柱面热源的无限大介质中的非稳态热传导时，其传热控制方程、初始条件和边界条件分别为,(2.1-8),(2.1-9), (2.1-10), , (2.1-11)式中cs埋管周围岩土的平均比热容J/(kg)；T孔周围岩土温度（）；Tff无穷远处土壤温度（）；s岩土周围岩土的平均密度（kg/m3）；时间（s）。由上述方程可求得时刻钻孔周围土壤的温度分布。其公式非常复杂，求值十分困难，需要采取近似计算。当加热时间较
8、短时，柱热源和线热源模型的计算结果有显著差别；而当加热时间较长时，两模型计算结果的相对误差逐渐减小，而且时间越长差别越小。一般国外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模型是线热源模型的结论，当时间较长时，线热源模型的钻孔壁温度为(2.1-12)式中是指数积分函数。当时间足够长时，是欧拉常数，。为钻孔外岩土的导热热阻。由式(2.1-5)和(2.1-11)可以导出t时刻循环介质平均温度，为(2.1-13)式(2.1-6)和(2.1-13)构成了埋管循环介质与周围岩土的换热方程。式(2.1-13)有两个未知参数，周围岩土导热系数s和容积比热容scs，利用该式可以求得上述两个未知参数。2.2
9、现场测试方法2.2.1一般规定在岩土热响应试验之前，应对测试地点进行实地的勘察，根据地质条件的复杂程度，确定测试孔的数量和测试方案。地埋管地源热泵系统的应用建筑面积大于等于10000m2时，测试孔的数量不应少于2个。对2个及以上测试孔的测试，其测试结果应取算术平均值。在岩土热响应试验之前应通过钻孔勘察，绘制项目场区钻孔地质综合柱状图。2.2.2岩土热响应试验应包括下列容：1 岩土初始平均温度；2 地埋管换热器的循环水进出口温度、流量以及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。2.2.3岩土热响应试验报告应包括下列容：1项目概况；2测试方案；3参考标准；4测试过程中参数的连续记录，应包括：循环水
10、流量、加热功率、地埋管换热器的进出口水温；5项目所在地岩土柱状图；6岩土热物性参数；7测试条件下，钻孔单位延米换热量参考值。2.2.4测试现场1测试现场应提供稳定的电源，具备可靠的测试条件。2在对测试设备进行外部连接时，应遵循先接水后接电的原则；3测试孔的施工应由具有相应资质的专业队伍承担。4连接应减少弯头、变径，连接管外露部分应保温，保温层厚度不应小于10mm。5岩土热响应的测试过程应遵守国家和地方有关安全、劳动保护、防火、环境保护等方面的规定。2.2.5 测试仪表1 在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于1%。2 流量的测量误差不应大于1%。3 温度的测量误差不应大于0.2。2
11、.2.6岩土热响应试验测试步骤岩土热响应试验的测试步骤，应符合下列规定：1 制作测试孔；2 平整测试孔周边场地，提供水电接驳点；3 测试岩土初始温度； 4 测试仪器与测试孔的管道连接；5 水电等外部设备连接完毕后，应对测试设备本身以及外部设备的连接再次进行检查；6 启动电加热、水泵等试验设备，待设备运转稳定后开始读取记录试验数据；7 岩土热响应试验过程中，应做好对试验设备的保护工作；8 提取试验数据，分析计算得出岩土综合热物性参数；9 测试试验完成后，对测试孔应做好防护工作。 2.2.7岩土热响应试验测试过程应符合下列要求：1 测试孔的深度应与实际的用孔相一致2 岩土热响应试验应在测试孔完成并
12、放置至少48h以后进行。3 岩土初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法。测点的布置宜在地埋管换热器埋设深度围，且间隔不宜大于10米；以各测点的算术平均值做为岩土初始平均温度。4 岩土热响应试验应连续不间断，持续时间不宜少于48h；5 试验期间，加热功率应保持恒定；6 地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于岩土初始平均温度5以上且维持时间不少于12h。7 地埋管换热器流速不应低于0.2m/s。8 试验数据读取和记录的时间间隔不应大于10分钟。9 应根据试验记录的加热功率、地埋管换热器的进出口温度、流量等试验数据，通过计算导出岩土综合热物性参数。3 测试仪器和要求3.1规要求1在输入电压
13、稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于1%。2流量的测量误差不应大于1%。3温度的测量误差不应大于0.2。4测试仪器仪表应具有有效期的检验合格证、校准证书或测试证书。3.2测试单位测试用岩土热物性测试仪及其检定/校准证书3.2.1原理与用途将岩土热物性测试仪与用于测试的竖直地埋管换热器（测试孔）或水平地埋管换热器（测试槽）组成循环水系统，设定加热功率，对测试孔（槽）进行一定时间的连续散热试验，并实时监测记录加热功率、水流量和温度数据，依据地源热泵系统工程技术规，分析得到岩土热物性参数。3.2.2组成岩土热物性测试仪主要由电加热保温水箱、循环水泵、管路系统、配电系统、高精度稳压器、保护系统、流
14、量传感器、温度传感器、功率变送器、数据采集系统、软件等组成，集成于可移动台架上。自主研发，专利产品。 附图 岩土热物性测试仪3.2.3主要技术指标电加热器功率： 0-6.0kW可调加热功率的测量误差：0.8%（电压稳定）(有计量检定证书)。流量传感器测量误差：0.5%(电磁流量计)（有计量检定证书）。温度传感器测量误差：0.15（高精度铂电阻）（有计量检定证书）。3.2.4岩土热物性测试仪专利编号、检定、校准证书测试用岩土热物性测试仪获得专利，专利号：ZL 2008 2 0065709.X检定、校准证书信息如下：功率传感器校准证书编号为JL1号，不确定度为0.4%；电磁流量计检定证书编号为JL1号，不确定度为0.38%；温度传感器1校准证书编号为JL1号，修正值-0.01；温度传感器2校准证书编号为JL1号，修正值-0.02。4 测试方案4.1项目概况项目名称：xxxxxx地源热泵岩土热物性测试。项目位于xxxxxx市。为办公建筑。4.2测试孔成孔条件测试孔1：单U，管径DN32，HD
