地源热泵测试报告.docx

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地源热泵测试报告

XXXXXX地源热泵测试报告

一、测试目的及任务

地源热泵工程成功与否的关键在于地埋管换热器的实际换热情况能否满足设计要求，按照设计工况运行。

然而，地埋管换热器的换热特性因工程地点的地质结构不同而存在很大的变化。

为了保证地源热泵系统设计的准确、合理，需对拟建地源热泵地埋管换热器的实际换热性能进行前期测试研究。

针对实际地源热泵工程，为了更加准确地确定该工程地下单U换热管的换热能力，积累地源热泵单U垂直埋管的实测数据，受XXXXXXXXXXXX有限公司的委托，XXXXXXXXXXXXX进行了对重庆轨道交通（集团）有限公司XXX综合办公大楼地源热泵工程地下地埋管换热性能的测试研究。

本次测试研究的主要目的：

确定工程地质条件下，对实地试验地埋管的换热性能能否达到预期要求。

二、测试原理及测试平台设计

2.1测试原理

为了研究地源热泵系统地埋管换热器实际运行情况下的换热性能，我司相关技术人员利用本公司自行研发的浅层地热测试仪，对试验井进行了初始低温测试、热泵系统不同工况条件下的地埋管换热性能研究以及地温回复测试。

各工况下系统测试原理如下：

2.1.1制冷工况

地埋管换热器向地下的换（排）热量计算公式如下：

式中，Q——地埋管换热器向地下的换（排）热量，w；

Cp——循环水的定压比热，取4.187KJ/（Kg.℃）；

m——循环水的质量流量，kg/s；

tg——地埋管换热器的进水温度，℃；

th——地埋管换热器的出水温度，℃；

通过试验测试得到地埋管换热器的换（排）热量，即可得到单位孔深的换（排）热量q：

式中，q——单位孔深换（排）热量，w/m；

L——换热孔深，m；

其它同上。

2.1.2制热工况

地埋管换热器向地下的换（吸）热量计算公式如下：

式中，Q’——地埋管换热器向地下的换（吸）热量，w；

Cp——循环水的定压比热，取4.187KJ/（Kg.℃）；

m’——循环水的质量流量，kg/s；

tg’——地埋管换热器的进水温度，℃；

th’——地埋管换热器的出水温度，℃；

通过测试测试得到地埋管换热器的换（吸）热量，即可得到单位孔深的换（吸）热量q：

式中，q’——单位孔深换（吸）热量，w/m；

L’——换热孔深，m；

其它同上。

测试系统原理流程图如下：

图2.1测试系统原理流程图

2.2测试平台设计

2.2.1试验所用换热孔平台设计

根据试验目的和试验内容，我司计划在工程现场钻探了一口直径为110mm，深度为82m的竖井，作为试验用换热孔。

其具体设计施工工艺流程如下：

2.2.2测试主要设备选型

本次测试平台的主要测试设备是我公司自行研发生产的地源热泵专用浅层地热测试仪，安装于工程施工现场的帐篷内，通过连接管道与地下埋管构成地源热泵循环系统。

测试平台的主要设备、装置及其选型如下：

1）热电偶温度传感器

根据试验测试需要，整个试验台布置了18只铜－康铜热电偶温度传感器，具体如下：

单U管供、回路U形管上，进水端6m、10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m，回水端6m、10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m，一共18个监测点。

图2.2测点分布图

2）水银温度计

为了探头标定及环境温度测定，测试时准备了两个水银温度计，参数如下：

一个测量范围：

0-150℃，精度：

0.1℃；另一个测量范围：

-30-20℃，精度：

0.1℃。

3）浅层地热测试仪——LYMQ-J-760

微电脑采集系统

自主研发的微电脑采集系统，主要包括智能温度采集仪、信号采集器、微型电脑等。

工作人员在触摸屏上进行操作，控制整个浅层地热测试仪的运行。

该系统能够精确采集到流量计、热电偶温度传感器的电信号，并转换成数字信号，自动记录各点的温度、供回水温度、水流量、系统功率，而且立即计算出时时的换热量及系统COP值（能耗比）。

②电磁流量计

为了测试换热竖孔的循环水流量，在系统上设置1个电磁流量计。

本浅层地热测试仪选用LDG智能电磁流量计，该电磁流量计计算速度快、精度高、测量性能可靠，具体参数如下：

测量范围：

0.29～43.42m3/h；精度等级：

0.5级；工作压力：

≤2.0Mpa；输出电流信号：

4～20mA。

在地源热泵工程项目中，《地源热泵工程技术规范（50366——2005）》推荐单U管，孔内流速为0.4～0.6m/s，所采用的电子流量计满足实验要求。

③循环水泵

测试仪选用的循环水泵为单相自吸漩涡泵1台，型号为XKSm125，具体参数如下：

单相220V～50Hz，额定功率125W，转速2850r/min；最大流量1.7m3/h，最大扬程27m；配管直径DN32。

④两台分体式水源热泵机组

2台MWSC010T分体式水源热泵机组，名义制冷量2650W，名义制热量3240W。

可以有选择性地开启2台热泵机组，就可以模拟不同负荷下的工况，满足实际工程需求。

图2.3测试系统图（图片有改动，在公司电脑上有）

三、测试内容

3.1探头标定及固定方法

3.1.1探头标定方法

为了尽量减小试验中的系统误差，在试验测试前对所有温度测点进行了温度标定。

在该次测试中，我公司主要是对热电偶温度传感器的冰、沸点进行标定，环境温度作为参考对照值，具体标定方法为：

a冰点标定

将探头（探头按要绑定的下管位置做好了标记）、标准水银温度计置于冰水混合物中（其中探头通过探线连接到智能温度采集仪上），记录探头10分钟内温度读数情况，而后对智能温度采集仪上显示的各探头温度参照标准水银温度计进行修正。

而后，通过对智能温度采集仪上的相关参数进行修正，以保证其显示值为标准水银温度计10min后所显温度值。

b沸点标定

同理，将探头、标准水银温度计置于不断烧开着的沸水中，记录探头10分钟内温度读数情况，而后对智能温度采集仪上显示的各探头温度参照标准水银温度计进行修正。

而后，通过对智能温度采集仪上的相关参数进行再次修正，以保证其显示值为标准水银温度计10min后所显温度值。

c环境温度标定

将探头、标准水银温度计置于一个空气温度相对稳定的房间中，记录探头10分钟内温度读数情况，而后校核智能温度采集仪上显示的各探头温度是否与水银温度计读数一致。

d探头最终标定

如此，对于标定后的各探头在空气温度下的各读数以及该空气温度下的标准水银温度计读数进行比照统计。

同时，对于温度不一致的探头，再重新进行冰、沸点标定，如此反复进行，以保证智能温度计显示的对应探头的温度值与标准水银温度计一致，最后读数偏差太大的探头换掉重新购买。

3.1.2探头固定方法

本次测试工作中，各测试探头统一采用下面方式：

第一层使用高压防水胶带使探头牢牢固定在单U管上，并保证处于封闭状态；第二层使用水管专用胶带保证防水胶带已经探头牢牢固定在单U管上，避免探头下管时破损、防水胶带脱落。

图3.1探头固定方法

3.2钻孔、回填和换热管试压、下管情况反馈

3.2.1钻孔情况

.根据本工程特点，本次试验方案采用垂直埋管形式，打井口径110mm，有效深度82m，井内埋设单U管。

图3.2.1钻孔现场

3.2.2换热管试压

下换热管之前按设计要求进行水压试验。

在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。

将其密封保持有压状态，准备下管。

本工程在1.2MPa压力下进行承压实验，稳压时间20分钟，稳压后压力降不到1%，无泄漏现象，完全满足下管要求。

3.2.3换热管下管

为保证换热效果，防止供回管间发生热回流现象，四根换热支管之间需保持距离，下管前采用分离定位管卡将两根换热管进行分离定位，定位管卡的间距为2米。

此外，由于施工现场情况复杂（甲方单位在钻孔期间多次炸山、放炮），且考虑之前钻第一口井时有过一次垮井情况发生（导致重新钻孔，影响了原定测试时间计划安排），在本次下管前，我公司相关技术人员在管段最下面绑有重物，且在下管期间（下管前后一天）要求甲方单位停止放炮，从而保证了下管的顺利进行。

本次下管时间为2010年10月29日下午。

3.2.4测试井回填

结合实际岩层导热系数，采取导热性能接近的回填材料。

我们采用砂和膨润土按20：

1的比例混合，作为回填材料。

同时采用水引灌注回填，从而保证了回填的密实性，排除井内空气。

图3.2.2回填材料

3.3测试工况安排

3.3.1原始地温数据采集

地温是地下换热最原始的条件。

考虑到施工现场复杂性（现场试验测试用电为我司自备发电机输送，甲方施工每天下午6点定时放炮，放炮地点离测试地点很近，约30m左右，可能会对设备运行产生不利影响），为了保证原始地温的数据可靠性，本次测试对地温进行了40多个小时的全天候测试，由我公司自行研发的浅层地热测试仪每1分钟自动提取一次数据，全面了解了地下温度情况。

具体测试时间为2010年10月31日19:

00——2010年11月2日14:

00。

3.3.2制冷工况条件下相关数据采集

为了测试地埋管地下换热系统在制冷工况下，空调系统连续工作运行时，换热性能是否能够满足空调负荷要求，本次测试时间为24小时。

具体测试时间为2010年11月2日14:

00——2010年11月3日14:

00。

考虑到本次测试为单U管换热性能测试，为保证地下换热量能够满足系统运行要求，系统开始运行时先只开启了一台热泵机组，在系统运行一段时间后，发现机组运行COP值在3.0左右，所以就未开启另外一台热泵机组，从而保证试验测试地埋管换热性能的可靠性。

3.3.3制冷工况后地温回复数据采集

地温恢复是地源热泵长期正常运行的保障。

地温恢复是指在地源热泵在运行一段时间后，造成地下温度的升高（或降低），当系统停机、地下换热停止时，地下土壤通过向土壤内部横向和竖向上的热量传递以及地表对外界的换热实现地温的降低（或回升），使恢复后的地温及其分布趋近于原始地温，并达到稳定的一个过程。

地温恢复是否完成，主要有两个指标：

（一）土壤温度要接近原始土壤同层温度；

（二）同层土壤温度稳定，不随时间发生改变，即T’（t）=0。

本次制冷工况后地温回复测试具体时间为2010年11月3日14:

00——2010年11月4日02:

00。

在地温回复测试12小时后，发现浅层地热测试仪显示的数据已趋于稳定，故而没有继续进行数据采集。

3.3.4制热工况条件下相关数据采集

同理，为了测试地埋管地下换热系统在制热工况下，空调系统连续工作运行时，换热性能是否能够满足空调负荷要求，本次系统制热工况测试时间为24小时。

具体测试时间为2010年11月4日11:

00——2010年11月5日11:

00。

考虑到本次测试为单U管换热性能测试，为保证地下换热量能够满足系统运行要求，系统开始运行时先也只开启了一台热泵机组，在系统运行一段时间后，发现机组运行COP值在4.5左右，所以就未开启另外一台热泵机组，从而保证试验测试地埋管换热性能的可靠性。

3.3.5制热工况后地温回复数据采集

地温恢复是地源热泵长期正常运行的保障。

地温恢复是指在地源热泵在运行一段时间后，造成地下温度的升高（或降低），当系统停机、地下换热停止时，地下土壤通过向土壤内部横向和竖向上的热量传递以及地表对外界的换热实现地温的降低（或回升），使恢复后的地温及其分布趋近于原始地温，并达到稳定的一个过程。

地温恢复是否完成，主要有两个指标：

（一）土壤温度要接近原始土壤同层温度；

（二）同层土壤温度稳定，不随时间发生改变，即T’（t）=0。

本次制热工况后地温回复测试具体时间为2010年11月5日11:

00——2010年11月6日11:

00。

3.4测试设备撤离及测试井保护

我司于2010年11月6日11:

00完成所有设计工况下测试，并于当日中午12:

00撤离技术人员及相关测试设备。

同时，考虑到后续时间里可能会对试验井继续进行相关测试，甲方单位以后可能继续利用该测试井进行空调制冷制热，我司相关测试人员对地埋管地面部分以及测试探线做了初级保护措施，并且及时通知委托单位（中冶赛迪工程技术股份有限公司）做好测试井保护工作。

（图示在公司电脑上的word版上有，这个是我上周日没照片填上）

图3.4.1地埋管及探线保护

四、地质情况分析、数据整理及分析

4.1地质情况分析

经过现场测试井钻孔岩石结构初步分析，现场施工地段的地质构造中没有不利于地埋管的钻孔施工的岩土结构。

根据所得岩石样本及钻孔记录数据可得各深度下的岩石构造情况，具体岩石概述请见下图4.1：

图4.1测试井附近岩石柱状分布示意图

4.2数据整理及分析

4.2.1原始地温分析

从全天的平均水平来看，2010年11月1日15:

00～11月2日15:

00共24小时期间，地下温度随深度的走势如图4.2.1所示。

地下深度10m以上位置的测点温度略高，约20℃，主要是受外界气温影响。

10m以下地温随深度变化很小，地温基本保持在19.1℃左右，温度相对稳定。

图4.2.1测试井全天平均地下温度分布

为了进一步了解土壤温度特征，下面取典型时刻研究，得到其土壤温度分布如图4.2.2～图4.2.5。

图4.2.2测试井下午5：

00地下温度分布

图4.2.3测试井夜间24：

00地下温度分布

图4.2.4测试井次日上午9：

00地下温度分布

图4.2.5测试井次日下午2：

00地下温度分布

从图4.2.2～图4.2.5可以看出，地下温度分布趋势各时刻基本上是一致的。

地下10m内地温受气温变化影响略有变化；次日下午两点，地下6m以上部分温度比平均地温略低且比同时刻相对应温度低，这主要是由于天气转阴且有小雨导致的靠近地面部分的地温波动。

通过对比发现，10m以下的地温基本稳定在19.1℃左右，和全天平均值一致。

4.2.2制冷工况条件下相关数据分析

A、对于供回水温度变化：

在浅层地热测试仪最开始运行的一段时间内，是一个破坏原始地温平衡，重新建立一个新的地温分布的过程，所以不同深度下的管壁温度随时间不断变化，逐渐达到一个新的温度平衡状态。

下图为制冷工况下24h内系统供回水的温度变化情况：

4.2.6制冷工况下24h内单U管供回水温度变化曲线

通过图4.2.6数据变化规律可以发现，在系统运行2h后，系统供回水温差以及不同深度下各管壁温度基本处于一个平衡值，所以，对于供回水温度变化，我们下面重点研究机组运行开始时2h内的供回水温度变化和地埋管各深度温度变化情况。

具体系统供回水温差、代表点管壁温度变化规律如下面图所示:

4.2.7制冷工况下2h内单U管供回水温度随时间变化曲线

4.2.8制冷工况下2h内单U管6m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.9制冷工况下2h内单U管20m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.10制冷工况下2h内单U管40m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.11制冷工况下2h内单U管60m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.12制冷工况下2h内单U管80m处供回水温度变化曲线

从图表4.2.7～4.2.12中可以看出：

系统供回水温差和管段各深度供回水温差变化规律基本一致。

系统刚开始运行时，供回水温差较小；系统运行半小时后系统供回水温差逐渐变大，这是系统换热能力不断提高的良好表现；系统运行两小时后，供回水温差稍微有所减少，并逐步趋于某一稳定值。

同时，从某一时刻不同深度下供回水温差变化可以看出，越接近地埋管最底部U形位置，供回水温差越小，到最底部80m时，供回水管管壁温差基本为0，这很好的反映了U形管的实际换热能力随着换热管换热长度变化的事实（同等条件下，换热管越长，换热管换热能力越强）。

B、对于地埋管换热量：

在系统测试运行时，系统供回水温差随着地下换热效果的变化而在不断变化，这就导致了地埋管内循环水流量和地埋管实际换热量的变化，下图所示为系统测试24h内所得地埋管换热量随时间变化情况：

4.2.13制冷工况下24h内单U管换热量变化曲线

从图4.2.13中可以看出：

制冷工况下，系统连续运行24h时，地埋管换热量绝大部分时间可以较好维持，基本上换热量是在2.5kw左右波动。

在机组刚开始运行时，地埋管换热量是先随着时间推移而不断增加，在机组连续运行2h后基本上达到稳定。

这说明地下换热效果良好且稳定。

C、对于测试系统COP：

4.2.14制冷工况下24h内系统COP值变化曲线

从图4.2.14中可以看出：

制冷工况下，系统连续运行2h后，系统COP值基本是在2.8左右波动，这再次验证了该区域地下换热效果良好且稳定的推断。

D、对于地埋管单位换热量：

由系统连续运行24h内地埋管换热量变化可得系统运行24h内单位长度换热量变化规律，如下图4.2.15所示：

24h平均qm=33.38w/m

4.2.15制冷工况下24h内地埋管单位长度换热量变化曲线

经过分析可得，单位长度地埋管24小时平均换热量为33.38W/m。

4.2.3制冷工况后地温回复分析

取典型深度的地埋管管壁附近地下温度来分析，图4.2.16~图4.2.20分别反映了浅层6m、20m、40m、60m以及深层80m处温度的恢复过程。

4.2.16地下6m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.17地下20m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.18地下40m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.19地下60m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.20地下80m处地埋管管壁附近地温回复情况

根据原始地温数据，6m深度地层温度在19~20℃左右，10m深度地层温度在19.5℃左右，地下20~30m深度地温在19℃左右，深层地温（30米以下）在19℃左右。

从图4.2.16~图4.2.20中可以看出，6m处地温经10小时后恢复到19.5℃，10m处地温经10小时后恢复到19.7℃，其他各深度地温经过11小时后也都恢复到19℃左右，并且各深度地温已趋于稳定，在19℃左右波动。

可以认为经12小时后，地温已基本恢复。

4.2.4制热工况条件下相关数据分析

A、对于供回水温度变化：

下图为制热工况下24h内系统供回水的温度变化情况：

4.2.21制热工况下24h内单U管供回水温度变化曲线

通过图4.2.21数据变化规律可以发现，在系统运行2h后，系统供回水温差以及不同深度下各管壁温度基本处于一个平衡值，所以，对于供回水温度变化，我们下面重点研究机组运行开始时2h内的供回水温度变化和地埋管各深度温度变化情况。

具体系统供回水温差、代表点管壁温度变化规律如下面图所示:

4.2.22制热工况下2h内单U管供回水温度随时间变化曲线

4.2.23制冷工况下2h内单U管6m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.24制热工况下2h内单U管20m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.25制热工况下2h内单U管40m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.26制热工况下2h内单U管60m处供回水温度随时间变化曲线

4.2.27制热工况下2h内单U管80m处供回水温度变化曲线

从图表4.2.22～4.2.27中可以看出：

系统供回水温差和管段各深度供回水温差变化规律基本一致。

系统刚开始运行时，供回水温差较小；系统运行半小时后系统供回水温差逐渐变大，这是系统换热能力不断提高的良好表现；系统运行两小时后，供回水温差稍微有所减少，并逐步趋于某一稳定值。

同时，从某一时刻不同深度下供回水温差变化可以看出，越接近地埋管最底部U形位置，供回水温差越小，到最底部80m时，供回水管管壁温差基本为0，这很好的反映了U形管的实际换热能力随着换热管换热长度变化的事实（同等条件下，换热管越长，换热管换热能力越强）。

B、对于地埋管换热量：

在系统测试运行时，系统供回水温差随着地下换热效果的变化而在不断变化，这就导致了地埋管内循环水流量和地埋管实际换热量的变化，下图所示为系统测试24h内所得地埋管换热量随时间变化情况：

4.2.28制冷工况下24h内单U管换热量变化曲线

从图4.2.28中可以看出：

制冷工况下，系统连续运行24h时，地埋管换热量绝大部分时间可以较好维持，基本上换热量是在2.7kw左右波动。

在机组刚开始运行时，地埋管换热量是先随着时间推移而不断增加在达到最大值后，换热量有所下降，而后在机组连续运行2h后基本上达到稳定。

这说明地下换热效果良好且稳定。

C、对于测试系统COP：

4.2.29制热工况下24h内系统COP值变化曲线

从图4.2.29中可以看出：

制热工况下，系统连续运行2h后，系统COP值基本是在4.5左右波动，系统能效比较高。

D、对于地埋管单位换热量：

由系统连续运行24h内地埋管换热量变化可得系统运行24h内单位长度换热量变化规律，如下图4.2.30所示：

4.2.30制热工况下24h内地埋管单位长度换热量变化曲线

通过分析图4.2.30可得，单位长度地埋管24小时平均换热量为36.15W/m。

4.2.5制热工况后地温回复分析

取典型深度的地埋管管壁附近地下温度来分析，图4.2.31~图4.2.35分别反映了浅层6m、20m、40m/60m以及深层80m处温度的恢复过程。

4.2.31地下6m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.32地下20m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.33地下40m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.34地下60m处地埋管管壁附近地温回复情况

4.2.35地下80m处地埋管管壁附近地温回复情况

根据原始地温数据，6m深度地层温度在19~20℃左右，10m深度地层温度在19.5℃左右，地下20~30m深度地温在19℃左右，深层地温（30米以下）在19℃左右。

从图4.2.16~图4.2.20中可以看出，6m处地温经10小时后恢复到19.7℃，10m处地温经10小时后恢复到19.2℃，其他各深度地温经过11小时后也都恢复到19℃左右，并且各深度地温已趋于稳定，在19℃左右波动。

可以认为经12小时后，地温已基本恢复。

五、结论与建议

根据对测试结果的分析，可以得到以下主要结论：

通过对测试井单U换热管地下换热性能测试可得，对本项目而言，项目地区域地下单位深度换热量30-40W（单U管）。