1、 醫院新城分院地源熱泵工程 地下地下埋管埋管換熱器熱響應測試報告換熱器熱響應測試報告 目目 錄錄 1 1 工程簡介工程簡介.1 2 2 地源熱泵地源熱泵系統簡介系統簡介.1 2.12.1 工作原理工作原理.1 2.22.2 地源熱泵的特點地源熱泵的特點.1 2.32.3 地源熱泵適用性與地下換熱器換熱性能影響因素分析地源熱泵適用性與地下換熱器換熱性能影響因素分析.3 2.3.12.3.1 地溫因素地溫因素.4 2.3.22.3.2 巖土熱物性巖土熱物性.4 2.3.32.3.3 埋管形式埋管形式.4 2.3.42.3.4 埋管深度埋管深度.5 2.3.52.3.5 埋管間距埋管間距.6 2.3

2、.62.3.6 季節性地下巖土熱平衡問題季節性地下巖土熱平衡問題.6 3 地埋管換熱器熱響應測試地埋管換熱器熱響應測試.6 3.13.1 測試目的測試目的.7 3.23.2 主要測試內容主要測試內容.7 3.33.3 測試原理與方法測試原理與方法.8 3.3.1 測試依據測試依據.8 3.3.2 測試測試儀儀器與原理器與原理.8 3.43.4 測試測試方案方案.11 3.4.1 測試孔的定位測試孔的定位.11 3.4.2 測試測試過程過程.12 4 巖土層結構巖土層結構.14 5 測試測試結果結果與數據分析與數據分析.15 5.15.1 試驗井試驗井測試結果測試結果.15 5.1.1 巖土初始

3、平均溫度的確定巖土初始平均溫度的確定.15 5.1.2 試驗井土壤導熱系數的確定試驗井土壤導熱系數的確定.15 5.1.3 試驗井試驗井夏季夏季工況巖土排熱能力的確工況巖土排熱能力的確.17 5.1.4 試驗井冬季工況巖土取熱能力的確定試驗井冬季工況巖土取熱能力的確定.18 5.2 測試測試結果結果匯總匯總.21 6 測試測試結論結論與分析與分析.23 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 1 1 1 工程工程簡介簡介 江蘇徐州豐縣中醫院新城分院項目位于豐縣開發區，東環路東側，經六路西側，南方路南側，南環路北側，地勢平坦，交通便捷。該工程建筑物主要由病房綜合樓、急診樓和輔

4、助用房及地下車庫組成。用地面積 85 畝，規劃分為二期，其中一期為住院樓和門急診樓、二期為住院綜合樓和醫技樓以及配套設施用房。總建筑面積 91597 平方米，地下建筑面積為 22268 平方米。工程以節能、環保、低碳為設計理念，擬采用地源熱泵系統作為中央空調冷熱源。按照規劃要求，設計 U 形豎直埋管換熱形式，地埋換熱管下管深度 100m。由于地源熱泵設計的特殊性，需為后期地埋管換熱器設計和施工提供比較準確的地質和換熱數據，因此受項目工程部委托，本次測試主要完成該工程 2 處試驗孔地下埋管換熱器的熱響應試驗。測試目的在于通過實際測試孔勘查地質情況，并通過測試獲取試驗孔的換熱性能和巖土熱物理性能，

5、以期對該工程土壤源熱泵系統的工程決策、設計和施工提供參考和數據支持。2 2 地源熱泵地源熱泵系統系統簡介簡介 2.12.1 工作原理工作原理 地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地下去。實質上是利用土壤的蓄冷和蓄熱性能，通過中間介質在封閉的地下換熱器中循環流動，從而實現與土壤的熱交換。通常地源熱泵消耗 1k

6、W 的能量，用戶可以得到 4kW 以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將 90%以上的電能或 7090%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為 1025，其制冷、制熱系數可達 3.54.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出 40%左右，其運行費用為普通中央空調的 5060。2.22.2 地源熱泵的特點地源熱泵的特點 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 2 地源熱泵具有很多優點，它對節能和減少環境污染等方面都有積極的意義。1、首先，地

7、源熱泵系統取“熱”，不取“水”。這與地下水源熱泵系統不同，因此不會造成底層沉降，由于循環水在完全封閉的地下管路中流動，對地下環境與任何污染；2、地源熱泵具有較高的經濟性，節能效果明顯。空氣源熱泵利用室外空氣作為熱源和熱匯，而室外空氣隨季節變化十分明顯，這便使得空氣源熱泵的制冷、制熱量隨季節變化而波動幅度很大。在冬季冷月，室外溫度也達到全年最低，空氣源熱泵的工質從室外吸取熱量也變得越發困難；夏季則相反，最熱月空氣源熱泵工質向室外空氣放熱則越發困難。這常常使得空氣源熱泵的制冷量、制熱量達不到用戶要求。而土壤源熱泵用全年溫度相對穩定的地表淺層土壤做熱源和熱匯，解決了這種窘境。我國幅員遼闊，各地地表淺

8、層土壤溫度有所不同。據資料介紹，5m 以下的土壤平均溫度基本上不隨季節變化而改變，且約等于該地區的年空氣平均溫度。因而，需制熱的冬季，地表淺層土壤的溫度比室外空氣溫度高；需制冷的夏季，其溫度則比室外空氣溫度低。這樣，熱泵工質與土壤的溫差在冬、夏季都保持較高的水平，可提高制冷系數和制熱系數，使得地源熱泵全年在較高的 COP 下運行。3、在制熱季節，當室外溫度在-12.85.8，濕度在 67%時，空氣源熱泵的室外空氣側換熱器嚴重結霜。結霜嚴重影響換熱器傳熱性能，這種情況下通常做法是啟動制冷功能除霜。地源熱泵在制熱季節一般工作下 1025的低溫下，因此不會結霜也無需除霜，提高了 COP 值，延長了機

9、組壽命。4、地源熱泵從大地中取熱，向大地放熱，利用地表土壤實現跨季節蓄能。夏季向土壤蓄熱，有利于冬季系統的運行，而冬季向土壤蓄冷，有利于夏季系統的運行，系統全年 COP 高。5、地源熱泵具有良好的環保特性。地源熱泵系統利用淺層地熱這種可再生能源，無任何燃燒設備，無排煙，沒有廢棄物，沒有漂水損失；雖然其驅動能源仍是直接或間接使用化石燃料，但與燃燒化石燃料的鍋爐供熱方式相比，大大減小了對環境的污染。6、同空氣源熱泵相比，地源熱泵也存在一些不足，如：初投資大、冬夏季負荷的平衡問題比較重要。地源熱泵初投資不但包括傳統空調系統的地面上的管豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 3 路

10、及設備的費用，還要包括地面下的換熱器的費用，而且還包括初期的勘探、鉆孔、及地下管路敷設等費用。北方地區還要考慮防凍、水管要進行保溫，也增加了初投資。據統計，當土壤熱交換器的初投資較低時，投資回收期在 0.5-3 年之間。當土壤熱交換器的初投資較高時，多數情況下投資回收期在 2-3.5 年之間。冬夏季熱不平衡會導致土壤溫度逐年的上升或下降，使得系統某一工況運行效率越來越低，最終無法運行，這是工程中必須注意的。表表 1 地源熱泵與普地源熱泵與普空調的對比空調的對比 項目項目 地源熱泵地源熱泵 普通空調普通空調 主機設置 主機設置靈活 風冷：主機要與外界通風良好，設置地點受限制（屋頂、地面）；水冷：

11、冷卻塔、鍋爐位置受限制 運行效率 土壤溫度很穩定，換熱穩定，不受外界空氣的變化影響，運行效率高 受外界天氣條件影響大，運行不穩定，效率低 控制系統 不存在結霜問題 北方冬季，風冷熱泵沖霜問題，主機逆循環，室溫控制受限 環境效益 真正意義上的綠色環保空調 將廢熱氣或水蒸氣排向室外環境，會環境造成很大的污染 運行費用 比風冷熱泵的運行費用節約30-40%全年使用的空調尤為明顯 COP 值較地源熱泵小，運行能耗高 2.32.3 地源熱泵適用性與地下地源熱泵適用性與地下換熱器換熱性能換熱器換熱性能影響因素影響因素分析分析 地源熱泵系統是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統

12、、建筑物內系統組成的供熱空調系統。它是以可再生的低溫地溫能為冷熱源進行供熱制冷的新型能源利用方式，與使用煤、氣、油等常規能源供暖空調方式相比，具有清潔、高效、節能的特點，被譽為“二十一世紀的綠色空調技術”。熱地源熱泵系統適用性主要取決于工程所在地的土壤溫度、建筑物負荷情況、地質情況以及是否具備充足的土壤換熱器施工場所。適中的冬夏均可利用的土壤溫度、較小但穩定的冷負荷、較少風化巖石和富含流動性好地下水的地質情況是采用地源熱泵的理想條件。地下埋管換熱器是地源熱泵系統的關鍵組成部分。地埋管的換熱性能是影響地埋管地源熱泵系統效果的關鍵，是土壤源熱泵系統設計的核心內容，其選擇的形式是否合理，設計的是否正

13、確，關系到整個地源熱泵系統能否滿足要求和正常使用。地下埋管換熱器設計主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。對于給定的建筑場地條件豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 4 應盡量使設計在滿足運行需要的同時成本最低。影響地埋管換熱性能和經濟性的因素很多，主要涉及以下幾個方面：2.3.12.3.1 地溫因素地溫因素 合適的土壤溫度是地源熱泵實施的基礎條件，對于地源熱泵系統土壤換熱器內循環流體與土壤溫度保證 10的溫差是較為有利的，1418的土壤溫度既在夏天足以替代冷卻塔作為熱泵機組的冷卻系統，在冬天也可以在不添加防凍劑的條

14、件下作為熱泵的地位熱源使用。高于 20的土壤溫度用于持久制冷的潛力較小，因為其土壤溫度在地源熱泵運行持續一段時間內達到穩定后土壤換熱器周圍的土壤唯獨已高于常規冷卻塔系統，這會造成土壤換熱器內循環流體能獲得的溫度差急劇減小，而導致熱泵機組效率和出力下降。而低于 7的土壤溫度雖有利于制冷，但為了避免土壤凍結制熱的能力會受到限制，在寒冷地區的土壤熱泵必須為土壤換熱器循環水添加乙二醇等防凍劑，此時熱泵機組效率也會有較大的下降，同時土壤換熱器數量和占地面積都會有較多增加。2.3.22.3.2 巖土熱物性巖土熱物性 地下埋管處巖土的熱物性參數對埋管換熱性能有著重要影響。地源熱泵設計的關鍵在于獲得準確的當地

15、巖土熱物性及其取放熱特性，其大小對鉆孔的數量及深度具有顯著的影響，進而影響系統的初投資。當地下土壤的熱導率或熱擴散率發生 10%的偏差時，地下埋管設計長度偏差為 4.5%5.8%，導致鉆孔總深度的變化。由于鉆孔的成本較高，因此必須準確地測量土壤的熱物性參數。如果巖土熱物性參數不準確，也會導致所設計的系統與負荷不相匹配，從而不能充分發揮其節能優勢，因此準確確定地層熱物性參數對于地下換熱器設計來說至關重要。2.3.32.3.3 埋管形式埋管形式 根據埋管形式的不同，一般有單 U 形管，雙 U 形管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管、套管式管等形式。目前使用最多的是單 U 形管、

16、雙 U 形管、套管和單管式。按埋設深度不同分為淺埋(80m)。U 形管型是在鉆孔的管井內安裝 U 形管，一般管井直徑為 100150mm，U型管換熱器的埋深取決于可提供的場地面積以及施工技術，一般在 10m-200m。U 形管徑一般在 50mm 以下（主要是流量不宜過大所限）。由于其施工簡單，豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 5 換熱性能較好，承壓高，管路接頭少，不易泄漏等原因，目前應用最多。套管式換熱器外管的直徑可達 200mm，由于增大了換熱面積，可減少鉆孔數和埋深。但內管與外腔中的液體發生熱交換會帶來熱損失，而且下管的難度和施工費用也增加。單管型埋設方式可以降低

17、安裝費和運行費。在地下水位以上用鋼管作為護套，直徑和孔徑一致，典型的孔徑為 150mm，地下水位以下為自然孔洞，不加任何設施。這種方式受水文地質條件限制，使用有限。2.3.42.3.4 埋管深度埋管深度 由于地埋管換熱器換熱效果受巖土體熱物性及地下水流動情況等地質條件影響非常大，使得不同地區，甚至同一地區不同區域巖土體深度的換熱特性和溫度差別都很大。研究表明地球表面的地殼層可分為三帶：可變溫度帶、恒溫帶和增溫帶。可變溫度帶受太陽輻射和大氣溫度的影響，其溫度呈現周期性變化，其厚度一般為 15-20 m；恒溫帶，其溫度變化幅度幾乎為 0，深度一般為 20-30m；增溫帶，在常溫帶以下，溫度隨深度增

18、加而升高，其熱量主要來自地球內部的熱泵。豎直埋管的埋設深度應根據當地地質情況，工程及場地的大小，投資及使用的鉆機性能等情況綜合考慮。不同埋管深度因巖土體構造和初始溫度不同，而且鉆孔深度要求不同，會影響地埋管換熱器的換熱效果和鉆孔成本。一般來講，淺埋管優點是：投資少，成本低，鉆機要求不高，可使用普通承壓（0.6MPa1.0MPa）的塑料管，由于受地面溫度影響，一般地下巖土冬夏熱平衡較好。其缺點是占用場地面積大，管路接頭多，埋管換熱效率較中、深埋者低。深埋管優點是：占用場地面積小，地下巖土溫度穩定換熱效率高，單位管長換熱量大，管路接頭少。其缺點是投資大，成本高，需采用高承壓（1.6MPa2.0MP

19、a）塑料管，鉆機要求性能高；由于深層巖土溫度場受地面溫度影響很小，因此必須注意冬季吸熱和夏季排熱量的平衡，否則將影響地源熱泵的長期使用效果。中埋管介于淺、深埋兩者之間，塑料管可用普通承壓型的。從統計的國內外工程實例看，中埋的地源熱泵占多數。豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 6 為保證地埋管換熱器設計符合實際，滿足使用要求，同時又具有較好的經濟性，需要根據取決于場地大小，當地巖土類型及挖掘成本進行分析計算。2.3.52.3.5 埋管間距埋管間距 為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距。合理的間距選取是地源熱泵換熱器設計過程中重要的一環。間距過小，換熱短路，

20、影響地埋管換熱器的運行和溫度恢復；間距過大，有利于換熱，但地下埋管占用面積增加，工程開發成本增加，而另一方面可利用面積受工程規劃的限制，間距亦不能過大，因此合理埋管間距的選擇應考慮傳熱性和經濟性的平衡點，通過實測和計算分析優化。2.3.62.3.6 季節性地下巖土熱平衡問題季節性地下巖土熱平衡問題 由于地源熱泵系統夏季運行時，系統吸收室內熱量，需向大地排放冷凝熱，土壤吸收熱量后，會改變其自身溫度場，使其溫度逐漸升高；在冬季運行時，系統需吸收大地熱量，從而降低土壤溫度。就季節性而言，如夏季排放的熱量與冬季吸收的熱量相吻合，則全年大地溫度場變化不大，因而系統可長期持續穩定運轉；但若夏季排熱量與冬季

21、吸熱量不吻合，則勢必造成大地溫度場持續升高或持續降低，而由于大地溫度場的持續改變，將影響地源熱泵系統的長期運行效果，同時也會給環境生態帶來不可預料的影響。由于季節性熱平衡與普通熱平衡不同，要實現 100%相等是很難也是不可能實現的。長期的實驗研究及數據分析，認為只要系統夏季排放的熱量與冬季吸收的熱量相差在 10%20%以內，均可認為達到季節性熱平衡。只要在此范圍內，由于系統吸熱、排熱對大地溫度場造成的年改變將可通過土壤的蓄熱、傳熱以及熱衰減等加以恢復。而對于吸排熱量難以自我平衡的系統，則只有借助外來因素加以平衡。如對于南方地區，夏季炎熱、冬季暖和，則系統運行時，夏季排熱量必然遠大于冬季吸熱量，

22、為保證地源熱泵系統長期穩定運行，可采用加冷卻塔的方式進行輔助散熱。而對于北方地區，冬季寒冷、夏季溫度適宜，則系統運行時，冬季吸熱量必然遠大于夏季排熱量，因此為保證地源熱泵系統長期穩定運行，可采用輔助熱源方式（如太陽能、生產生活廢熱等）提供熱量。3 地地埋管埋管換熱器換熱器熱響應測試熱響應測試 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 7 3.13.1 測試目的測試目的 如前述影響地源熱泵地源系統性能的因素較多，不同地質構造、不同地區、不同埋管方式、不同運行方式等都會產生不同的換熱結果。地源熱泵設計的關鍵在于獲得準確的當地土壤熱物性及其取放熱特性，其大小對鉆孔的數量及深度具有顯

23、著的影響，進而影響系統的初投資。同時，如果巖土熱物性參數不準確，也會導致所設計的系統與負荷不相匹配，從而不能充分發揮其節能優勢。據測算，土壤導熱系數若增加一倍，所需要的地埋管長度，可以減少 20%以上，因此準確確定地層熱物性參數對于地下換熱器設計來說至關重要。國家標準地源熱泵系統工程技術規范（GB50366-2005）及其修訂版（2009）中也明確規定，閉式地埋管土壤源熱泵地下換熱器的設計計算應根據現場實測出的巖土體及回填料的熱物性參數，采用專用軟件進行計算。目前，常可用土壤類型辨別法、取樣測試法、探針法及現場測試法來確定土壤熱物性。由于地下情況多變，而且往往由多個地層組成，單純的按照前三種方

24、法來確定埋管現場土壤熱物性會帶來很大的誤差，另外不同的封井材料、埋管形式、埋深對換熱和工程投資都有影響，因此只有在現場直接測量才能準確地得到地下巖土的熱物性參數及其換熱能力。熱響應試驗對于正確設計地下換熱器是非常重要的，它是直接在地下鉆孔換熱器中進行測量，綜合考慮了地下各層不同巖土層的熱物性和導熱系數及打孔深度內的其他影響因素，其得出的數值更確切，對于設計地埋管換熱器來說更具有價值，并為方案的經濟性分析提供基礎資料。3.23.2 主要測試內容主要測試內容 本次地下換熱器測試的主要內容：地埋管換熱器鉆孔施工，獲取地質構造情況 地埋管換熱器 PE 埋管施工 地埋管換熱器熱響應實驗 1）通過熱響應實

25、驗現場測試，獲得無干擾條件下埋管現場土壤的初始溫度和熱物性參數（巖土綜合導熱系數、綜合熱容等），為土壤源熱泵地下換熱器的設計與優化提供依據 2）模擬夏季和冬季工況，獲得地下埋管的單位井深放熱和取熱能力，為埋管長度的設計及其布置提供參考。豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 8 3）改變流量和運行方式，通過實測數據，分析土壤源熱泵不同流量下地埋管換熱器阻力特性；撰寫熱響應測試報告，為本項目地源熱泵設計與運行提供參考意見。3.33.3 測試原理與方法測試原理與方法 3.3.1 測試依據測試依據 地源熱泵系統工程技術規范（GB50366-2005）（2009 版）3.3.2 測

26、試測試儀器與儀器與原理原理 現場測試系統主要包括循環系統、加熱系統、制冷系統、連接管及其保溫材料、數據采集系統和輔助設備。循環系統的主要功能是實現水在地下埋管換熱器與測量儀中的循環流動，以及循環水流量的調節。加熱和制冷部分主要用于加熱和冷卻循環水，使循環水在地層中散失和獲取的熱量得到補充。數據采集系統的主要功能是測量地埋管進回水的水溫以及循環水的流量，其功能是靠兩個溫度傳感器和一個流量計實現的。兩個溫度傳感器分別設置在測量儀出水和回水的管道上，通過數據采集儀實時記錄。流量計安裝在測量儀供水管路上。輔助設備包括測量儀用電設備供電、加熱功率調節、輔助測溫裝置等。試驗采用計算機數據采集，每 10s

27、采集一次數據，自動存儲供分析用。圖 1 所示給出了測試系統裝置示意圖，主要包括：控溫水箱、電加熱器、風冷熱泵機組、循環水泵、流量控制閥、循環管道、渦輪流量計、溫度傳感器和壓力表等。為確保試驗結果的準確性，在試驗前對溫度傳感器和流量計進行了標定和校正。對溫度傳感器的標定在在水浴中進行，以精度為 0.1的精密水銀溫度計為基準，校正的區間為 040，覆蓋傳熱實驗的整個溫度區間。流量計的校正采用稱重法和體積法兩種方法，進行對比標定。圖 2 為部分現場測試設備圖片。1 閥門 2 測溫傳感器 3 壓力表 4 閥門 5 閥門 6 風冷熱泵機組 7 閥門 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試

28、報告 9 8 供水箱 9 水泵 10 閥門 11 流量計 12 壓力表 13 測溫傳感器 14 閥門 圖圖 1 測試儀原理圖測試儀原理圖 a a）冷熱水循環水箱冷熱水循環水箱 b）測試連接管路測試連接管路 c c）采集儀表）采集儀表 圖圖 2 部分現場測試設備部分現場測試設備 測試原理：1）土壤初始溫度測定 埋管結束后立即將管內充滿清水，并進行封口，一個星期左右孔內回填料已經充分凝固，管內清水已跟大地充分換熱，因此測試必須在埋管封口后至少間隔一個星期才能進行，測試開始打開循環水泵直接測試進、出口溫度半個小時，以出口溫度作為土壤平均溫度。2）土壤熱物性（導熱系數）測定 加熱器以恒定熱功率對水箱內

29、的水加熱，加熱后的循環水以恒定的流量進入地下換熱器的 U 型管，與周圍土壤換熱，加熱器開始加熱的同時開始計時，以一定時間間隔記錄地下換熱器 U 型管的出入口水溫變化規律，并以其確定進出口水溫平均值，采用線熱源模型方法，通過曲線擬合求得土壤的導熱系數。計算過程如下：豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 10 根據以下公式：surTbRbraHQtHQTf4ln41ln4 （1）其中:fT為平均溫度()；Q為定加熱功率（W）；為導熱系數()/(KmW)；H 為有效孔深(m)；t為測試持續的時間(s)；a 為熱量擴散率(sm/2)；bR為導熱熱阻（)/(mWK）；為歐拉系數（0

30、.5772）；br為孔的外徑（m）；surT為土壤的初始溫度（）。公式(1)可以簡化為公式(2)mtkTf)ln(（2）當輸入的熱功率Q恒定時，k和m是定值，HQk4 （3）surTbRbraHQm4ln41 （4）根據公式(3)可以得出k是導熱系數的函數,如公式（5）H 4Qk （5）根據測試數據，利用軟件可以得出加熱狀態下環路平均溫度fT對應時間t變化的曲線圖，根據這個曲線圖可以再得出fT對應)ln(t變化的曲線圖以及曲線的斜率，這個斜率即為公式(4)中的k值。公式(7)中Q、H已知，而k值也已得出，故可以代入數據算出導熱系數。3）單位井深放和取熱熱能力的測定 通過恒溫水箱調整加熱器的功率

31、，最終使循環水進口穩定在 35（夏季工況）和 7（冬季工況）左右，系統穩定后根據穩定狀態的流量和進出口溫度，可計算穩態條件下單位井深的放熱和取熱能力。計算過程如下：按照下面公式計算被測孔內地埋管的換熱量：)(1inoutpttVcQ （6）豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 11 式中：Q1是換熱量（kW）；V是水體積流量（sm/3），由流量計 11 測得；outt是流出地下埋管的水溫（），由測溫傳感器 2 測得；int是流進地下埋管的水溫（），由測溫傳感器 13 測得；是水的密度（3/mkg）；pc是水的比熱（)/(KkgkJ），取值 4.1868。單位孔深的換熱量為

32、：HQq1 （7）其中，q為單位孔深的換熱量（mW/），H為孔的深度（m）。3.43.4 測試測試方案方案 3.4.1 測試孔的定位測試孔的定位 考慮到現場情況，并使測試孔能夠代表工程地下換熱情況，按照測試要求現場確定 2 個試驗井的位置，測孔 1 和測孔 2 見圖 3 示意。試驗臺現場安裝，裝置現場整體見圖 4。2 個試驗井埋管具體參數見表 2。場場地地內內道道路路綠綠化化地地帶帶員工宿舍員工宿舍甲方辦公場所甲方辦公場所總包方辦公場地總包方辦公場地2號試驗井2號試驗井1號試驗井1號試驗井門診樓位置門診樓位置入口大門入口大門 圖圖 3 試試驗孔定位示意圖驗孔定位示意圖 豐縣中醫院新城分院地源熱

33、泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 12 表表 2 實驗井埋管參數實驗井埋管參數 實驗井 1#2#形式 雙 U 雙 U 垂直井深（m）100 100 垂直管全長（m）400 400 回填材料 原漿+細沙+膨潤土 原漿+細沙+膨潤土 井口直徑（mm）130mm 130mm PE 管 外徑（mm）25 25 內徑（mm）20.4 20.4 高密度聚乙烯管 HDPE100 連接管 供水管段（m）2 2 回水管段（m）2 2 連接管總長（m）4 4 保溫材料 30mm 厚橡塑保溫材料 3.4.2 測試過程測試過程 測試過程主要包括三部分：首先測試地下土壤平均溫度，然后模擬夏季和冬季工況，以確定地下埋管

34、的換熱能力及地下巖土的熱物性（包括巖土體導熱系數、比熱容及鉆孔熱阻等），之后改變運行工況，測試不同流量地埋管阻力變化特性，圖圖 4 測試裝置現場安裝圖測試裝置現場安裝圖 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 13 為地源熱泵系統的設計、優化及模擬計算提供依據。具體步驟為：（1）確定好測試井后（先測試驗井 2，后測試驗井 1），連接 U 型管與地上測試裝置循環水管道進出口，并用絕熱材料做好外露管道絕熱保護工作；（2）在 U 型管中充滿循環水，靜止 2 天后認為循環水與周圍土壤近似達到熱平衡，此時測量并記錄土壤初始溫度；（3）開啟電源，根據取熱和放熱工況要求，分別開啟風冷熱泵

35、機組或電加熱器以及循環水泵，同時以一定時間間隔采集不同時刻的測量數據：地下換熱器出入口水溫、循環水流量、加熱器加熱功率、壓力等；注意以下方面：a)巖土熱響應試驗應連續不間斷，持續時間不宜少于 48h；b）試驗期間，加熱功率應保持恒定；c）地埋管換熱器的出口溫度穩定后，其溫度高于巖土初始平均溫度 5oC 以上且維持時間不少于 12h；d）數據記錄時間間隔不大于 10 分鐘。（4）試驗測量結束時，先關閉加熱器和風冷熱泵機組，停止記錄數據，然后才能關閉循環水泵電源；（5）排干管道內的循環水，斷開 U 型管與地上循環水管道的聯結，并做好地下換熱器 U 型管的保護工作，以防止被其它雜物堵塞。對上述每種測

36、試方案重復上述過程，得出對應各種方案的熱響應結果。供分析比較之用。測試方案具體見表3。整個測試過程（含試驗孔成孔）從2014年6月8日-2014年 6 月 28 日，持續 20 天時間。表表 3 測試方案測試方案 項目項目 試驗井試驗井 1#1#和和試驗井試驗井 2#2#試驗孔成孔和地質分析 土壤平均初始溫度 土壤熱物性（導熱系數）夏季工況土壤排熱能力 冬季工況土壤取熱能力 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 14 4 巖土層結構巖土層結構 在 2 個試驗孔鉆孔的過程中，每隔一定深度采集地質樣品，分析地質成分，為回填料配置和地埋管施工提供依據。根據現場勘查的結果，現場地

37、質主要以粉土為主，少部分夾粉質粘土，打井難度易，造價極低。豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 15 5 測試測試結果結果與數據分析與數據分析 5.15.1 試試驗井測試結果驗井測試結果 5.1.1 巖土巖土初始初始平均平均溫度的確定溫度的確定 測試裝置在加熱器開啟前，使水泵循環一段時間，10s 采集一次流體進出口溫度，溫度達到穩定時，出口溫度即為土壤初始平均溫度。試驗井埋管出口溫度變化見圖 5，可見 40min 后溫度基本穩定在 17.1，這個溫度作為試驗井巖土的初始平均溫度。圖圖 5 試試驗井巖土驗井巖土原始溫度測試曲線原始溫度測試曲線 5.1.2 試試驗井驗井土壤導

38、熱系數的確定土壤導熱系數的確定 對土壤換熱器采用一定功率持續加熱，待流體進出口溫度穩定后即可根據3.3 節原理即線熱源理論，求得土壤的熱物性參數。圖 6 為試驗井循環水進出口溫度變化曲線。圖 7 為循環水進出口平均溫度隨時間變化曲線，可見經過 15 個小時恒定功率溫度趨于穩定，在此基礎上繼續加熱 25 個小時左右，達到規定的測試條件。由圖 7 可以得出平均水溫的對數回歸曲線，計算巖土層綜合導熱系數。豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 16 圖圖 6 試驗井試驗井熱響應熱響應進出口水溫變化曲線進出口水溫變化曲線 圖圖 7 1#試驗井平均溫度試驗井平均溫度變化及變化及回歸曲

39、線回歸曲線 可見，平均溫度對數回歸曲線為：416.14)ln(367.2xy （8）對比（2）式，得出：367.2k。由公式（5）知，導熱系數 H 4Qk，因現場電壓不穩定，加熱功率受影響而波動，本測試取平均加熱功率為：KWQ726.4 H為鉆孔井深度 100m，可以計算導熱系數為：59.1100367.244726H 4Qk)/(KmW 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 17 5.1.3 試試驗井夏季工況驗井夏季工況巖土巖土排排熱能力的確熱能力的確 排熱能力測試是模擬夏季工況，空調系統通過制冷設備把各房間的熱量抽取出來，通過地埋管換熱器拍向地下土壤，因此，地埋管換熱

40、器在夏天的功能猶如一般空調的室外機，實現空調的散熱功能。測量地埋管在夏天的散熱功能，就是根據空調運行的冷凝溫度，制冷一定溫度的熱水，通過循環水泵使熱水在埋設的PE 管中以一定的速度流動。熱水的溫度高于地下土壤的溫度，在 PE 管的流動過程中，把熱量傳導到土壤中。為保證測試中所有工況的可比性，本項目測試中所有夏季工況進水溫度均通過恒溫水浴控制，保持在 35左右（注：地源熱泵的實際運行工況隨負荷變化而改變，因此測試工況并不代表所有的實際工況）。等出口溫度保持穩定后，即可計算夏季工況土壤的排熱能力。圖 8（a）（b）為測試過程中地埋管進出口水溫、溫差和流量隨時間的測試變化曲線。圖 8（c）為地埋管換

41、熱器排熱量情況。可見，在進口恒溫在 35時，測試過程共近 6 個小時測試過程中出口溫度穩定，排熱量基本不變，達到穩態條件，根據功率采集數據計算地下埋管換熱器夏季工況放熱總量，進而計算單位井深的放熱量。由功率采集數據（見圖 8c），知進口溫度 35，流量 1.2m3/h 時，排熱功率為 42.1kW。單位井深排熱量為 WHQq1.4210042101 圖圖 8（a）試試驗井驗井夏季夏季排熱排熱工況工況進出口進出口溫度溫度 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 18 圖圖 8（b）試驗井夏季工況排熱進出口溫差試驗井夏季工況排熱進出口溫差和流量變化和流量變化 圖圖 8（c）試驗

42、井夏季工況排熱量試驗井夏季工況排熱量 5.1.4 試驗井冬季工況巖土取熱能力的確定試驗井冬季工況巖土取熱能力的確定 取熱工況測試應用于地源熱泵冬季供熱工況。在冬天，地源熱泵以地下土壤作為熱源，通過埋設的地埋管換熱器從地下土壤層吸取熱量，再輸送到各個房間。測量地埋管冬天的取熱功能，就是根據熱泵運行所對應的蒸發溫度，制成一定溫度的冷水，通過循環泵驅動冷水在埋設的 PE 管中以一定的速度流動，由于 PE管內循環水的溫度低于周圍土壤的溫度，冷水在 PE 管中流動時，從土壤總吸收熱量，溫度升高。地埋管取熱測試就是根據循環水在 PE 地埋管中流動過程中從土壤吸收的熱量，來確定地埋管在取熱過程中的傳熱能力。

43、豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 19 圖 9（a）（b）為測試過程中地埋管進出口水溫、溫差和流量隨時間的測試變化曲線。圖 9（c）為地埋管換熱器取熱量情況。可見，在進口恒溫在 8時，測試過程共近 70 個小時，測試過程中出口溫度穩定，取熱量基本不變，達到穩態條件，根據進出口溫度和流量計讀數可以用來計算地下埋管換熱器冬季工況取熱總量，進而計算單位井深的取熱量。計算得 8時，流量 1.2m3/h 左右時的取熱量為 3.21kW。單位井深冬季工況取熱量為 WHQq1.3210032101 圖圖 9（a）試驗井試驗井冬冬季工況季工況取取熱進出口溫度熱進出口溫度 豐縣中醫院新

44、城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 20 圖圖 9（b）試驗井夏季工況排熱進出口溫差試驗井夏季工況排熱進出口溫差和流量變化和流量變化 9（c）1#試驗井夏季工況排熱量試驗井夏季工況排熱量 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 21 5.2 測試測試結果匯總結果匯總 本測試所有測試結果匯總于表 4 表 6。表表 4 土壤初始平均溫度土壤初始平均溫度和熱物性和熱物性測試結果測試結果 換熱孔換熱孔 單位單位 De25（雙（雙 U）鉆孔深度 m 100 下管長度 m 100*4 埋管形式 并聯雙 U 測試流量 m/h 1.2 測試管內流速 m/s 0.51 巖土初始溫

45、度 17.1 導熱系數)/(KmW 1.59 表表 5 埋管換熱器夏季埋管換熱器夏季工況排工況排熱能力測試結果熱能力測試結果 換熱孔換熱孔 單位單位 De（雙（雙 U）鉆孔深度 m 100 下管長度 m 100*4 埋管形式 并聯雙 U 測試流量 m/h 1.1 測試流速 m/s 0.48 進口溫度 35.16 回水溫度 31.86 溫差 3.30 換熱總量 KW 4.21 單位井深排熱量 W/m 42.1 表表 6 埋管換熱器埋管換熱器冬冬季工況季工況取取熱能力測試結果熱能力測試結果 換熱孔換熱孔 單位單位 De（雙（雙 U）鉆孔深度 m 100 下管長度 m 100*4 埋管形式 并聯雙

46、U 測試流量 m/h 1.24 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 22 測試流速 m/s 0.53 進口溫度 8.03 回水溫度 10.22 溫差 2.2 換熱總量 KW 3.21 單位井深排熱量 W/m 32.1 豐縣中醫院新城分院地源熱泵工程地下埋管換熱器熱響應測試報告 23 6 測試結論測試結論與分析與分析 1、土壤的初始溫度與當地全年平均溫度相當，豐縣地區氣候特點夏熱冬冷，本項目所在地測試土壤初始平均溫度 17.1左右，地溫適宜，氣候特點為地源熱泵較適宜區。熱響應測試土壤導熱系數 1.59)/(KmW。2、由熱響應測試結果可知，夏季工況：單位井深排熱能力雙 U

47、（De25）為 42.1mW/；冬季工況：單位井深取熱能力雙 U（De25）為 32.1mW/。注：本測試結果為本工程在測試工況下的結果（夏季工況：雙U進口溫度35，流量1.2 m/h左右；冬季工況：1#雙U進口溫度8，流量1.2 m/h左右。地源熱泵系統實際運行中參數是變化的，地下換熱器進水溫度夏季為30-38，冬季進水溫度為5-10，應根據機組實際運行情況適當考慮修正。單位單位井井深換熱建議取值深換熱建議取值 夏季工況排熱量夏季工況排熱量（W W/m/m）冬季工況取熱量冬季工況取熱量（W/mW/m）雙 U(De25)42 32 3、由工程地質勘查巖層分布看，現場地質主要以粉土為主，少部分夾粉質粘土，打井難度易，造價低。