v2 地源热泵岩土热物性测试报告标准样式.docx

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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

武汉二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

1测试目的和测试依据

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范围内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

测试参考标准

《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）（2009年版）

2测试原理与方法

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，其数据处理过程基本相同。

因此本规范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。

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可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。

相比钻孔外，钻孔内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，因此埋管与钻孔内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钻孔内传热过程及热阻

钻孔内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：

式中Tf1,Tf2——分别为两根埋管内流体温度（℃）；

Tb——钻孔壁温度（℃）；

R1,R2——分别看作是两根管子独立存在时与钻孔壁之间的热阻（m·K/W）；

R12——两根管子之间的热阻（m·K/W）。

在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔内部的，其中心距为D，因此有：

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：

式中di——埋管内径（m）；

do——埋管外径（m）；

db——钻孔直径（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）]；

λs——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[W/（m2·K）]。

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，则式可表示为

由式可推得钻孔内传热热阻Rb为

同理可推得双U形钻孔内传热热阻Rb表达式为

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

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（℃）；

ρs——岩土周围岩土的平均密度（kg/m3）；

τ——时间（s）。

由上述方程可求得τ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。

一般国内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

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。

由式和可以导出时刻循环介质平均温度，为

式和构成了埋管内循环介质与周围岩土的换热方程。

式有两个未知参数，周围岩土导热系数λs和容积比热容ρscs，利用该式可以求得上述两个未知参数。

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内容：

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内容：

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℃。

2.2.6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范围内，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地埋管换热器内流速不应低于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

规范要求

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℃。

4测试仪器仪表应具有有效期内的检验合格证、校准证书或测试证书。

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范》，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：

可调

加热功率的测量误差：

≤±%（电压稳定）（有计量检定证书）。

流量传感器测量误差：

≤±%（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：

ZL20082

检定、校准证书信息如下：

功率传感器校准证书编号为JL号，不确定度为%；

电磁流量计检定证书编号为JL号，不确定度为%；

温度传感器1校准证书编号为JL号，修正值-0.01℃；

温度传感器2校准证书编号为JL号，修正值℃。

4测试方案

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。

测试孔成孔条件

测试孔1﹟：

单U，管径DN32，HDPE，埋管有效深度100m，钻孔孔径180mm，回填材料原浆回填（孔口附近加少量砂）；

换热器系统管群埋管设计间距为4m。

热响应试验在测试孔成孔48小时后进行。

岩土热响应试验测试步骤

1）钻测试孔；

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）测试仪器与测试孔管道连接；

5）水电等外部设备连接完毕后，对测试设备本身以及外部设备的连接进行检查；

6）启动测试设备，待设备运转稳定后开始读取记录试验数据；试验持续48小时。

7）试验过程中，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。

5现场试验数据计算分析和测试结果

岩土综合热物性参数

根据岩土热响应试验过程中连续记录的功率、流量、进出水温度数据，以及岩土初始平均温度、成孔条件等相关参数值，运用规范所述模型，可计算出岩土综合导热系数、容积比热容等热物性参数。

如表1所示。

表1测试参数及岩土热物性计算值

测试孔

有效埋管深度m

循环流量m3/h

埋管平均进水温度℃

埋管平均出水温度℃

平均加热功率W

岩土综合导热系数W/（m·K）

岩土容积比热容J/m3·k

岩土初始平均温度℃

1#

100

4060

xxxx

xxxx

xxxx

钻孔单位延米（孔深）换热量参考值

在测得的岩土综合导热系数、容积比热容等热物性参数和岩土初始温度基础上，结合回填材料、钻井直径、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，运用规范提供方法，计算得出测试条件下单位孔深换热量，可作设计分析时参考。

如表2所示。

表2钻孔单位延米（孔深）换热量

测试孔

钻孔单位延米（孔深）换热量W/m

制冷（制热）运行份额

地埋管中传热介质设计温度（℃）

1

制冷

工况

供热

工况

1#（单U）

夏季排热量

6

冬季取热量

1#（双U）

夏季排热量

6

冬季取热量

说明：

1、此报告给出的岩土综合导热系数、岩土容积比热容等热物性是现场测得的客观参数，受当地岩土性质等因素的影响。

2、所测得的岩土综合导热系数和岩土容积比热容等参数可供地埋管设计计算使用。

方法可使用《地源热泵系统工程技术规范》（2005）（2009年版）附录B方法或相关软件。

3、单位孔深换热量是在测定的热物性参数的基础上计算得出的，受回填材料、钻井直径、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、运行时间等因素的影响。

特别是通过调整优化系统设计运行参数，如埋管间距、运行份额、埋管中传热介质设计平均温度等，可以计算得到相应大小的单位孔深换热量。

4、计算钻孔单位延米（孔深）换热量时所取的设计工况：

①一个供热季4个月，一个制冷季3个月，热泵系统每天运行6、8、12、15、18、22、24小时，对应制冷（供热）运行份额分别为：

、、、、、、1。

②供热（制冷）运行份额是指一个供热季（制冷季）中平均每天的运行时间比例。

③制冷工况下地埋管中传热介质设计平均温度取℃；制热工况下地埋管中传热介质设计平均温度取6℃。

5、本测试结果给出的钻孔单位延米（孔深）换热量为测试条件下综合了热泵系统的设计运行工况经计算得出的结果，如果实际施工后的埋管条件和设计运行工况与此差别较大，应重新计算、设计或测试。

6、本报告数据涂改无效。

附录现场测试部分原始数据曲线图

图11#测试孔进出口温度

图21#测试孔进出口平均温度实测值及模拟值

图31#测试孔循环流量

图41#测试孔功率