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1、岩土热响应测试在实际工程设计中的重要性（浙江建筑科学设计研究院有限公司浙江建科建筑节能科技有限公司 浙江 杭州 310006）摘要：鉴于地下岩土的复杂性和多样性, 在确定地下岩土热物性时宜尽量采 用现场测试的方法。现场热响应测试是实施地源热泵工程的关键环节，介绍了测 试方法的原理, 结合实际工程,获得了现场土壤原始温度、导热系数以及单 U 和 双U管每延米孔深的放热参考值，测试数据为工程数据提供了依据。关键词：热物性测试 地源热泵 地埋管换热量 每延米换热量一、前言利用浅层地热能进行供暖、制冷，具有广阔的市场前景。设计地源热泵系 统时，应准确测量地下土壤热物性参数，以便进行地埋管换热器设计。当
2、地下土 壤的热导率或热扩散率发生 10%的偏差时，地下埋管设计长度偏差为 4.5%-5.8%， 将导致钻孔总深度的变化。由于钻孔的成本较高，因此必须准确的测量土壤的热 物性参数。现场土壤热物性的测试，在初始地下温度场趋于基本一致的前提下， 通过向地下输入恒定的热量，得到地下温度的热响应，通过温度的变化规律，来 确定岩土的热物性。二、现场热物性测试热响应试验的系统组成示意图（图 1 ，主要包括恒热流加热器、流量传感 器、循环水泵数据采集系统等部分。基本测试过程如下：首先，将热响应试验测 试仪的水路循环部分与待测埋地换热器相连接，形成一个闭式环路；然后，通过 启动管道循环水泵，以驱动环路流体开始循
3、环。待系统进出口温差为相近时，记 录系统水温作为测试地点附近的岩土原始温度。并开始启动一定功率的电加热器 来加热环路中的流体。随着埋地换热器进口水温的不断升高，其热量通过管壁与 岩土之间的传热过程逐渐释放到地下岩土中，同时使岩土温度也逐渐开始升高， 最终管内流体温度和岩土温度会维持在一种动态的热平衡状态。热平衡时间应该 大于48小时整，在个流体加热循环过程中，通过计算机采集系统记录进/出温度、 流量和加热功率等参数。Ulno标准的土壤源热泵测试回路保温材料进出口水温探头压力表循环水泵压力采集器加热罐阀门 歹流量计 1D数据采集模块图1岩土热响应试验时一个对岩土缓慢加热直至达到传热平衡的测试过程
4、，在试 验过程中，如果实验中断或者停止，待测试孔内温度恢复至与岩土的初始温度一 致时，才能再进行岩土热响应试验。对于采用加恒定热功率的测试法，加热功率 大小的设定，应使流体与岩土保持有一定的温差，在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5C。以上。如果不能保持一定的温差， 试验过程就会变得缓慢，影响实验结果，不利于计算导出岩土热物性参数。为有效测定项目所在地岩土热物性参数，应在测试开始前，对流量进行合理 化设置，不能太大，会导致地埋管流速太大，升温过高，导致岩土热物性参数有 偏差。地埋管换热器内流速应能保证流体始终处于紊流状态，流速的大小可视管 径、测试现场情况进行设定，
5、但不小于 0.2m/s。三、工程实例以及分析3.1、项目介绍浙江省长兴加泰尔汽车部件制造有限公司厂区及研发楼项目，该项目位于湖 州长兴。其中办公室采用地源热泵系统，受其委托，对地源热泵 1#双 U 测试孔 的岩土热物性参数进行测试，其目的在于获取试验孔岩土的综合导热系数、热阻 以及每延米放热量，为工程设计提供一个参考值。3.2 换热试验孔的施工1）钻孔:通过钻孔了解、收集该地区地层及各井段水文地质资料,为地下埋管 换热试验提供前题条件。本工程打井深度 60m。2）下管:地下换热器下管前进行第一次水压试验,在试验压力下,稳压至少 15 min ,稳压后压力降不大于3 % ,且无泄漏现象;将其密封
6、后,在有压状态下插入已打 好的成孔中,并保证下管的深度。3）回填:将含有10%膨润土、90%SiO2沙子的混合物通过搅拌机搅拌后返浆 回填,保证回填料均匀密实。完成灌浆后保压1 h ,稳压后压力降不大于3 % ,且无 泄漏现象。3.3、测试方案测试依据：GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范（2009年版） 电源:现场提供电源。 详细试验数据见 表 1实验选用的井埋管编号1#井埋管（单U）垂直埋管段垂直深度m60垂直管总长度m120回填材料原浆+细砂安装方法自然下管孔径mm110PE管外径mm32壁厚mm3连接管长度m1连接管总长度m2保温材料3.4 土壤原始地温测试测试仪器连接到
7、双U管，将测试仪到孔的管路保温绝缘。在水箱里加清水到 一定液位；打开数据采集系统，开启循环水泵。测试开始后，30-60 分钟进出口 平均温度基本保持不变，可以作为确定土壤平均温度的数据。此温度近似为当地 浅层土壤的平均温度。3.4 导热系数的测定以孔深为计算基础，估计单位孔深换热量，以此确定电加热，保证热量速率 不超过孔换热速率。打开数据采集系统，打开水泵；测试结束，关闭循环水泵。将设定功率调为3KW，测得土壤初始温度之后，在电压稳定以及中途未断 电的情况下，连续测试 48 个小时，并测量记录加热功率，进出地热换热管的水 温及对应的时刻。根据测得的数据可以计算该地热换热器的传热系数，也可反推
8、钻孔周围岩土导热系数和孔内热阻。将通过传热模型得到的平均流体温度与实际 测量的结果进行比较，通过调整传热模型中的岩土导热系数和钻孔内热阻。我院 研究的岩土热响应测试仪器自带软件，可自动进行记录以及计算岩土导热系数和 钻孔内热阻。3.5 测试结果以及分析根据09 版规范规定，换热孔施工完成 48 小时之后进行岩土热响应试验。 试验从2010 年 8月 23 日 16时 00 分开始，首先对换热孔周围原始岩土温度进行 测试，系统在没有加热的工况下运行至 2010年 8月 23 日 16 时50 分结束。2010 年 8 月 23 日 16 时 50 分开始对换热孔内流体进行加热功率为 3 kW 的
9、测试，直 至 2010 年 8 月 23 日 16 时 50 分测试结束。整个测试期间设备运转正常，无停水 停电事故，数据具有很好的连续性。采集的土壤初始温度为：20.86 C图2 为测试条件下，地埋管换热器埋管进、出口水温随时间的变化图线；图3 为测试条件下，地埋管换热器埋管加热功率随时间的变化图线。进出口水温2520入口温度出口温度（乜QS口寸丽I 0育 oricT 0寸 0 orNm 0 寸m DON orNo mtCN 口寸守U oomT wet 0 寸m o口 urlwi 0寸守 0m WT 0 寸mfN 口口闯IN omofN 0卜 T图 2 地埋管换热器埋管进、出口水温随时间的变
10、化图线加热功率(kW)3：3.6343.22.52.62寸5寸寸-I-I 卜寸岱CJmI Z 寸 am Emm .6 f 寸gpmpui gtnm:Iri 9 寸一 smm g 寸OOCN 9 寸“mmo 917OS 口 9寸叫丈 9寸0寸61 2亦寸口- 口一耳 CJTllnmm-l-l mduriI cmlnz01 mcLrloc cmln!-lR 016寸m 口 I用9寸 OEMri 6=ss 0 6品 mfM 6=5OCM 6smml S.S 与图 3 地埋管换热器埋管加热功率随时间的变化图线表2 是试验井埋管散热实验的总结果，其循环水在井埋管中的进出口温差和传热量是由U型PE管换热器
11、和水平连接管共同作用的结果。表 2 井埋管散热实验结果1#井埋管进水温度回水温度流量CCm3/h36.1734.932.21表3列出了井埋管在实验工况下的单位深度换热量。该换热量仅为该井在试 验工况下试验结果，不可直接作为设计依据。表 3 井埋管单位深度换热量1#井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量Cm3/hKW/m井深36.172.211.2431.6根据以上实验数据，岩土比热容为3100kJ/ （m3K）,以地源热泵系统工 程技术规范（GB 50366-2005 2009年版）附录C为依据，采用与软件模拟对比 以及理论计算的方法，经计算，岩土热物性参数结果如下：1）测试地点
12、附近的岩土原始温度为20.86C。2）测试地点附近的岩土综合导热系数为1.756W/ （m K）。3）地埋管换热器钻孔内热阻为0.068mK/ W。3.6设计工况传热性能分析由于钻孔单位每延米换热量是在特定测试工况下得到的数据，工况条件响应 很大，不能直接用于地埋管地源热泵系统的设计。因此该数据仅可用于设计参考。表4 主要说明：在不同运行工况中的每延米换热量。地埋官垂直段传热性能分析进出水温度值岩土初始地温流量放热量估值C20.86 Cm3/hW/m井深25/30 （夏季工况下）2.2146.6430/35 （夏季工况下）2.2126.61四 结论通过以上分析可以认为，在某一个地质结构的土壤导
13、热系数是一个恒定不变 的数值，而放热量和吸热量在每个工况下，都是不同。影响测试稳定的土壤导热 系数主要取决于一定的计算时间间隔，而这样的计算时间间隔的保证，首先需要 有一定的测试时间，不能小于 48 小时。实际上，除了时间因素的影响外，实际的工程测试中仍然存在着其他的原因 影响测试结果，包括功率、钻井尺寸、直管保温、流速等因素，具体还得进一步 研究。每年从地下取热和放热量是否能到达平衡，如果两者相差越大，对地热换 热器的换热效率影响越大；地埋管单位孔深热交换量还与地下水位的高低和岩土 层含水量多少有关。单位孔深换热量是地埋管设计中重要的数据，它是确定地埋管（地热换热器） 容量、确定热泵参数、选
14、择循环水泵流量与扬程、计算地埋管与埋管结构等的重 要依据。单位孔深换热量取值偏大，讲导致地埋管偏小。循环夜进出口温度难以达到热泵的要求。结果导致热泵实际地制热、制冷量低于其额定值，使系统达不到设计要求。反之，单位孔深换热量取值偏小，地埋管量将增加工程的初始投资 增大。所以综合上述，可以得知在地源热泵系统设计前期，应根据实地勘察情况， 必须进行岩土热物性参数的测试，这样才能到达合理的设计要求，并符合实际用 户需要。五 参考文献1 GB 50366-2005 地源热泵系统工程技术规范（2009 年版）2韩群 地源热泵热响应试验在工程中的重要性 2010-01-053施恂根 苏华 黄练红 王亨林 岩土热响应测试系统的研究与开发
