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xx项目热响应实验报告分析

**太阳能联合供暖项目勘查

土壤热物性响应测试

报

告

书

测试单位：

山东**能源科技有限公司

二〇一六年一月

委托单位

工程名称

地埋管换热性能热物性测试

项目地点

测试

项目

见报告正文

仪器

岩土热响应测试仪器tk-2/3

依据

见报告正文

委托日期

2015.12.28

测试日期

2015.01.06-01.08

报告日期

2016.01.08

测试结论：

1地下温度场未扰动原始地下平均温度为14.8℃

2地下综合导热性能及热响应状况如下表岩土热物性参数模拟夏季

编号

斜率

岩土导

热系数

岩土比热容

单井换热量夏

实验供水温度

实验回水温度

延米换热w/m

最后10H

温度上升

模拟时间

TK1#

夏季

1.508

2.176

1.39MJ/㎥

4.0kw

27.4℃

24℃

40.7w/m

0.4℃

16.01.06-01.08

3被测试井参数

实验井

TK1模拟夏季

形式

单U型

垂直井深（ｍ）

97

垂直管全长（ｍ）

184

回填材料

水泥砂浆回填

安装方法

机械自重下管

井口直径（㎜）

155

交联聚乙烯管

外径（㎜）

25

内径（㎜）

20

交联聚乙烯管

连接管

供水管段（ｍ）

0.5

回水管段（ｍ）

0.5

连接管全长（ｍ）

1

保温材料

20㎜厚橡塑保温材料

4建议设计计算参数：

通过专业软件分析，单井换热用单U管径dn25垂直90-110m，放热工况高温侧供水37℃回水32℃换热量按73.56w/m，吸热工况低温侧供水3℃回水8℃换热量按34.73w/m。

（本页以下无正文）

地埋管换热性能热物性测试报告

批准：

审核:

编制:

:

一、项目概况

各单体建（构）筑物平面位置、尺寸、层数等具体情况详见附图《建筑物与勘探点平面位置图》。

本项目为淄博文昌湖区范阳中小学校太阳能蓄能跨季供暖工程,总供暖面积36000㎡。

二、地质与水文气象

1.1场地工程地质及水文地质条件

（一）场地地形地貌

淄博市以齐河－广饶断裂为界，以南属鲁西台背斜鲁中隆起区，以北属济阳坳陷区。

鲁中隆起区由基底岩系和盖层组成。

基底岩系由泰山岩群和新太古代—古元古代花岗岩构成，经历多期变质作用。

盖层以寒武纪、奥陶纪地层为主，淄博盆地、沂源盆地、鲁村盆地内发育石炭纪、二叠纪及中生代的沉积。

济阳坳陷区完全被第四纪地层覆盖。

境内岩浆岩分布较广，前寒武纪变质岩浆岩分布于市区南部的基底岩系中，中生代燕山期岩浆岩分布于中北部的断裂交汇或褶皱发育区。

淄博市地势南高北低，南部及东西两翼山峦起伏，中部低陷向北倾伏，南北高差千余米。

以胶济铁路为界，以南大部分为山区、丘陵，岩溶地貌发育；以北大部分为山前冲积平原和黄泛平原，土地平坦肥沃。

北部有黄河、小清河流经，发源于市域内的河流有沂河、淄河、孝妇河等。

淄博市山区、丘陵、平原面积分别占市域面积的42.0%、29.9%和28.1%。

地处暖温带，属半湿润半干旱的大陆性气候。

淄博市年平均气温12.5℃～14.2℃，年平均日照时数为2209.3～2523.0小时，年平均无霜期190～210天。

三、岩土热物性测试介绍

3.1试验目的

通过测试仪器，对项目所在场区的试验孔进行一定时间的连续散热试验，获得项目场区岩土热物性参数及岩土的初始温度，为地源热泵系统的地下换热器设计提供确切的数值依据。

由于岩土各层土质不同，导热系数、比热容也不相同；对于工程设计而言，最为关心的是地埋管换热器深度范围内的综合岩土导热系数，这一参数更能反映地埋管换热系统的换热能力。

直接在地下钻孔换热器中进行测量的，综合考虑地下各层不同岩土层的热物性及打孔深度内的其他影响因素，如地下水的影响，其得出的数值更确切，对于设计地下换热器系统来说更具有价值。

3.2试验原理

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，其导热系数、比热容等热物理性质不会发生改变。

因此按照《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005（2009）年版）中规定，采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行岩土热物性参数的测试。

土壤热物性的测试方法分为“恒温法”与“恒热流法”。

“恒热流法”是指采用恒功率的电加热，记录进出口温度随时间的变化情况，仪器的结构和控制都比较简单，测试精度也比较容易保证。

这种方法主要用来确定岩土层的平均导热系数以及钻孔内的热阻，得到了岩土热物性数据后，可以根据一定的传热模型模拟地下岩土层以及回路中温度的短期、中期（1年）和长期（多年）的变化，并相应地采用适当的软件或按设计规范计算得到地埋管换热器的总长度。

恒热流法热响应试验的技术要求，在GB50366-2005（2009）具体要求是热物性测试的时间应为36～48h。

加热功率应为每米钻孔30～80W，大致为实际U型管换热器高峰负荷值。

“恒热流法”的热响应试验需要保持加热功率一定，记录出口水温的变化，再由测得的流量得到回路中的换热量。

采用的加热热源可以是电热元件，也可以是热泵。

当采用热泵时，除“热工况”之外，也可以进行“冷工况”的测试。

由于要设法保持回路的进口温度保持不变，在热（冷）源部分必需有二次加热装置进行调节。

这种方法的主要目标是确定在“稳定”状态下每米钻孔的传热量。

“每米钻孔的传热量”对于大中型的地源热泵工程，只适合用作设计阶段的估算，而不应该完全作为设计的方法和依据。

3.3主要执行与参考标准

1．《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009年版）；

2．《2007ASHRAEHandbook—HVACApplications》（GeothermalEnergy32.12）；

3．《闭式地源热泵系统设计与安装标准》（2007版），国际地源热泵协会IGSHPA。

4．地源热泵系统工程技术规程（DGJ32TJ89-2009）

3.4测试仪器现场测试实物照片：

现场采集数据有：

流量、进水温度、回水温度、加热功率、井深、实时温差、实时压力、实时延米换热值。

四、测试井施工

4.1测试井位置的选定

根据区域地质与水文地质条件，依据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005，2009年版），根据设计要求在项目场区布设的2个测试孔用于岩土热响应试验（地下换热器施工总图中孔位号TK1#、TK2#（见布置图1）。

测试孔钻探于1月1日开工，于1月4日结束。

孔深分别为两测试孔都为垂直向下97米、100米。

4.2材料的选定

本项目主要材料为交联聚乙烯管，地源热泵系统专用管材应承压能力高，受力膨胀性小，耐环境应力开裂性能优良，抗蠕性能好。

韧性好、挠性好，对基础不均和错位的适应能力强；其耐侯性、长期稳定性优异；管材耐腐蚀性强，用于输送含有防冻剂等腐蚀性介质时，无需做防腐处理，使用寿命长；内壁光滑，水流阻力小，流通能力大；耐磨性好，抗磨损；导热系数0.42w/m*k，具有良好的导热性能；抗低温冲击性能好，冬季施工不受影响。

实验井

TK1模拟夏季

形式

单U型

垂直井深（ｍ）

97

垂直管全长（ｍ）

184

回填材料

水泥砂浆回填

安装方法

机械自重下管

井口直径（㎜）

155

交联聚乙烯管

外径（㎜）

25

内径（㎜）

20

交联聚乙烯管

连接管

供水管段（ｍ）

0.5

回水管段（ｍ）

0.5

连接管全长（ｍ）

1

保温材料

20㎜厚橡塑保温材料

4.3测试井的施工与安装数据

4.4试验准备

在本项目的地埋换热管传热性能试验中，减小测量误差作为一项重要指标，从传感器的选择到测试仪器安装的安装、测试的各个环节，确保测试结果的可靠性。

测试井号

井深

井口径

管材

管径

单、双U

密封性试验

TK1#

97m

155mm

Pe100

Dn25

单U

0.8Mpa10分钟压降小于0.02Mpa

（1）温度传感器的选择

在常用的温度传感器中，铂电阻传感器的线性和稳定性最好。

本项目试验中，所有温度传感器均采用A级PT100型铂电阻传感器，理论上的基本误差为±0.15℃。

（2）温度传感器的校准

在实验之前和实验之后，对所有温度传感器在埋地换热管测试的整个温度区间在实验室内进行校准，校准后温度测量的误差控制在±0.1℃以下。

（附件1）

（3）流量的测量

对循环水的测量采用了高精度涡轮流量计，在循环泵稳定工作情况下，对使用的流量传感器采用体积法进行了校准测试，与数据采集进行对比，在0.5～2.0m3/h的流量范围内，该流量计的误差小于0.25%。

（附件2）

（4）连接管道的隔热保温

对实验台到埋地换热器的连接管道采用隔热保温处理，减少连接管可能造成的热损失。

本工程施工区域内地形平坦，并且自来水、电均接通，给测试施工带来方便的施工环境。

测试现场，水就近从自来水管道抽取。

电源就近驳接。

五、试验步骤及内容

2015年12月30日开始，我单位对项目所在区域地质构造图进行了查询，有关资料调阅。

2016年1月6日，全部测试设备、仪器仪表就位。

首先，测试岩土的初始温度，向注满水的试验孔（管）内，插入铂电阻温度探头的方法获得岩土初始温度分布。

2016年1月6日开始，对测试孔开始“恒热流法”（恒加热功率）测试，测试设备连续运行，每隔30s记录一次加热/制冷功率、进出口水温、流量、压力差、温差等数据。

5.1测试内容包括：

A）土壤初始温度测试

B）岩土热响应测试

C）参考标准；

D）测试过程中的参数：

循环水流量、加热功率、地埋管换热器的进出口水温；

E）钻孔单位延米换热量参考值；

F）土壤综合初始温度；

G）岩土热物性参数；

5.2测试步骤

1）土壤初始温度测试

将仪器的水路循环部分与所要测试地换热器连接，形成闭合环路，通过循环水泵驱动闭合环路里的液体不断循环，待测试系统稳定后记录液体的温度值。

2）岩土热响应测试

a）测试孔（槽）周边场地平整，提供水电接驳点

b）测试仪器与测试孔（槽）的管道连接，连接应减少弯头、变径，连接管外露部分应保温；

c）根据现场及设计条件，进行钻孔试验，合理选择试验钻孔位置，尽可能排除扰动因素，降低试验误差；

d）水平管长度不超过20ｍ，采用橡塑保温，厚度不小于10ｍｍ；

e）在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；

f）连接管道的隔热保温：

从试验台到地埋管的水平连接管道进行保温隔热，

减小环境对管内循环水的传热影响。

g）连续测试记录地埋管换热器的进出口循环水的温度、水流量以及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率；

h）向测试孔施加加热功率稳定后，测试持续时间约40h。

i）地埋管换热器内流速不低于0.6m/s，地埋管换热器的出水温度高于岩土初始温度5℃温差；

j）记录加热功率、水温、流量等试验数据，计算导出岩土热物性参数，按照获得的岩土热物性参数利用专业数据模型GB50366-2009计算各设计工况下的土壤换热器取放热量。

5.3测试数据分析图表

1）TK1#井测试孔岩土取热数据分析

TK1#

TK1#供回水温度变化图

TK1#平均温度变化图

TK1#流量

TK1#水阻压力损失

TK1#加热功率

2）试验结果及输入计算

1.计算岩土的初始温度

取TK1#试验孔测试数据值，该项目所在地岩土的初始温度为14.8℃。

故该地下恒温场未扰动下温度为14.8℃。

该温度场应符合地源热泵之热泵机组-5~35℃的要求（GB50366-2009闭式循环地下换热器）。

2.岩土导热系数计算方法

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内流体的平均温度；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。

3.钻孔内热阻计算方法

对于双U管，钻孔内传热热阻为

式中id—埋管内径（m）;

do—埋管外径（m）;

D—管脚间距的一半（m）;

λp—埋管管壁导热系数W/（m·K）

λb—钻孔回填材料导热系数W/（m·k）;

ls—埋管周围岩土的导热系数W/（m·K）

K—循环介质与U形管内壁的对流换热系数

4.钻孔外传热过程及热阻的计算方法

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，有

由上式可知在t时刻r处的岩土的温度与响应测试仪的功率等的关系。

令br=r，

根据式

（2）便可计算出孔壁温度：

式中Tw——试验钻孔孔壁处的温度，℃。

令钻孔内总热阻为R0，则埋管流体平均温度tf与钻孔壁温tw之间的关系可写为：

联立（3）和（4），计算出埋管内流体平均温度tf为，

式中T=T（r,t）——t时刻r处的岩土温度，℃；

λs——岩土导热系数，W/（m·K）；（二次计算）

T0——未受扰动的岩土原始温度，℃；（现场提取）

ρs——岩土的密度，kg/m3（现场提取岩土体密度对照表）

c——岩土的比热，kJ/（kg·K）；（线性源数学模型二次计算）

ql——单位长度线热源热流强度，（W/m）（现场实测）

br——钻孔半径，m；（现场提取）

t——时间，s。

（现场计时）

m——温度上升曲线的斜率（线性源数学模型二次计算）

保证了恒热流的条件即ql恒定，对于待测定的钻孔和埋管来说，其余均为定值，则只有lnt一个变量，于是可将式（5）简化为一个二元一次线性方程：

式中T=T（r,t）——t时刻r处的岩土温度，℃；

λs——岩土导热系数，W/（m·K）；（线性源热模型二次计算）

T0——未受扰动的岩土原始温度，℃；（现场提取）

ρs——岩土的密度，kg/m3（现场提取对照岩土体密度表）

cs——岩土的比热，kJ/（kg·K）；（线性源热模型二次计算）

ql——单位长度线热源热流强度，（W/m）（现场提取）

rb——钻孔半径，m；（0.09m）

ft——埋管内介质的平均温度,℃（现场实测）

Tg,in——埋管内流体进口温度，℃；（现场实测取成组）

Tg,out——埋管内流体出口温度，℃；（现场实测取成组）

t——测试时间，s；（现场计时）

R0——钻孔内总热阻，（m·K）/w（线性源热模型二次计算）

γ——欧拉常数，γ=0.5772。

（常数）

通过实验测试所获得ql及不同时刻埋管流体平均温度tf值，在温度—时间对数坐标系中拟合出式（6），从而得出m的值，由式（10）计算出导热系数λs的值：

结合（10）式和拟合的截距b就可以计算得出体积热容比rscs

式中各符号代表的物理量如上。

（计算见附录4）

试验结论

岩土土壤平均综合导热系数较合适，适合做大规模地下蓄热系统和地源热泵系统。

根据热响应试验现场采集的数据，分析得出：

1）岩土热物性参数模拟放热工况

编号

斜率

岩土导

热系数

岩土比热容

单井换热量

实验供水温度

实验回水温度

延米

换热w/m

最后8小时

温度上升量

模拟时间

TK1#放热

1.508.

2.18

1.39MJ/㎥

4.0kw

27.4℃

24℃

40.7

0.3℃

16.1.6-1.8

岩土土壤平均综合导热系数较适合做大规模地下蓄热系统和地源热泵系统。

2）在布置群井时应根据布井形状取上述实验结果后加修正系数和安全系数。

需要说明的是，由于地质结构的复杂性和差异性，测试结果只能代表项目所在相同地质结构岩土热物性参数，而不能片面的认为测试所得结果即为该区域或该地区的岩土热物性参数。

3）模拟与推算

附录1岩土柱状图

附录2数据

日期

时间

进水温度（℃）

回水温度（℃）

温差（℃）

流量（m³/h）

01/08/2016

0.257881944

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.258229167

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.258576389

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.258923611

27.3

23.9

3.4

1.01

01/08/2016

0.259270833

27.4

23.9

3.5

1.01

01/08/2016

0.259618056

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.259965278

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.2603125

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.260659722

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.261006944

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.261354167

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.261701389

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.262048611

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.262395833

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.262743056

27.4

23.9

3.5

1.01

01/08/2016

0.263090278

27.3

23.9

3.4

1.01

01/08/2016

0.2634375

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.263784722

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.264131944

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.264479167

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.264826389

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.265173611

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.265520833

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.265868056

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.266215278

27.3

23.9

3.4

1.01

01/08/2016

0.2665625

27.4

23.9

3.5

0.99

01/08/2016

0.266909722

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.267256944

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.267604167

27.3

23.9

3.4

1.01

01/08/2016

0.267951389

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.268298611

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.268645833

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.268993056

27.3

23.9

3.4

1.01

01/08/2016

0.269340278

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.2696875

27.3

23.9

3.4

0.99

01/08/2016

0.270034722

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.270381944

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.270729167

27.5

23.9

3.6

0.99

01/08/2016

0.271076389

27.3

23.9

3.4

1.01

01/08/2016

0.271423611

27.3

23.9

3.4

0.99

01/08/2016

0.271770833

27.3

23.9

3.4

1

01/08/2016

0.272118056

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.272465278

27.4

24

3.4

1

01/08/2016

0.2728125

27.4

23.9

3.5

1

01/08/2016

0.273159722

27.4

24

3.4

1

01/08/2016

0.273506944

27.4

24

3.4

1.01

01/08/2016

0.273854167

27.4

23.9

3.5

1.01

01/08/2016

0.274201389

27.5

23.9

3.6

1

01/08/2016

0.274548611

27.4

23.9

3.5

1.01

01/08/2016

0.274895833

27.4

23.9

3.5

0.99

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23.9

3.4

1

01/08/2016

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27.3

23.9

3.4

1.01

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3.4

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1

01/08/2016

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1

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1