别墅地源热泵工程岩土热响应测试报告

1、xx别墅地源热泵工程岩土热响应测试报告 一、工程概况1、工程名称：x别墅项目地源热泵工程土壤热反应试验。2、工程地点：x市x区x3、项目概况：该项目为xx别墅工程，工作区位于项目位于x河畔的京东富饶之区，紧临x、x高速公路，机场高速公路，京承高速路四环望和立交桥至高丽营段、六环路昌顺段、机场高速路延伸线，三条道路均已建成通车。选择任何一线从市区至x马坡，30分钟内都可到达。交通十分便利。（具体位置见图 1）。本工程内的别墅项目拟采用节能、环保的地源热泵中央空调系统实现冬季供暖和夏季制冷，受甲方的委托于2012年5月10日5月16日对本工程地埋管场地进行了深层岩土层热物性测试，测试孔数量为1眼。 工作区图1 工作区交通位置图二、区域浅层地热地质条件1、地形地貌特征x区位于x市东北郊，城区距市中心30公里，地处北纬4000-4018，东经11628-11658。东邻平谷，北连怀柔、密云，西接昌平、朝阳区，南界通州区、河北三河市。区境东西长45公里，南北宽30公里，总面积1020平方公里。地处燕山南麓，华北平原北端，属x河冲积扇下段。平原面积占95.7%。地势北高南低，坡度为6/10000，

2、北部山地最高点海拔637米，平原海拔25-45米，平均海拔35米。2、气候条件x区气候属暖温带半湿润大陆性季风性气候， 年平均气温为11.5C。1月平均气温4.9C，最低气温零下19.1C；7月平均气温25.7C，最高气温达40.5C。年日照2750小时，无霜期195天左右。年均相对湿度50%，年均降雨量约625毫米，为华北地区降水量较均衡的地区之一，全年降水的75%集中在夏季。3、水文条件x有大小河流20余条，分属北运河、x河、蓟运河3个水系，河道总长232公里，径流总量1.7亿立方米。地表水可用量年水平为4300万立米，地下水资源年平均可开采量约为4亿立方米，为x市区每年提供生活用水 2亿立方米。工作区附近的x河是x地区东部第一大河，纵贯x南北，汇流面积达446平方公里，约占全区面积的45%。地下水位较高，水资源丰富，水质清澈。4、区域构造划分单元在大地构造单元中，工作区所处一级构造单元为燕山台褶带，二级构造单元为密（云）怀（来）中隆断，三级构造单元为昌（平）怀（柔）中穹断。（见图2） 工作区图2 冀津京构造单元分区图5、区域断裂构造x区地处x凹陷的北东部，在大地构造上位于祁吕贺山

3、字形构造反射弧与阴山东西向构造带的交汇部位，印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动造成地质运动较为复杂，区内大部分地区为第四系覆盖，仅在木林、龙湾屯以及二十里长山一带分布有少量的基岩残丘，其地表以下的基岩主要有中上元古界长城系、蓟县系、青白口系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系以及中生界侏罗系和白垩系，地埋深为80-120m,大部分地区缺失第三系。区内构造以北东到北西向的断裂为主，有些断裂如黄庄-高丽营断裂、x-良乡断裂、南苑-通县断裂以及二十里长山断裂等至今仍活动强烈。 （1）、x地裂缝带x地裂缝带主要分布在吴家营-杜各庄-梅沟村-军营村-x县城一线。走向NE30- NE50,倾向NE, 倾角30-50。（2）、北小营地裂缝带北小营地裂缝带在北小营镇，地裂缝成条带状集中分布。走向NE30- NE50,倾向NE，倾角30-50。（3）、高丽营地裂缝带高丽营地裂缝带在x区高丽营镇附近沿黄庄-高丽营断裂发育形成较大范围地裂缝带。自土沟村、唐自头村西北穿过向东北方向延伸至南王路、西王路村，走向NE45- NE60,倾向NE，倾角45-60。以上断裂构造的存在，对本地区浅层地热资源的赋存与运移

4、都起到了极大的控制和影响作用。三、岩土层热物性测试概要1、测试目的地埋管换热系统设计是地埋管地源热泵空调系统设计的重点，设计出现偏差可能导致系统运行效率降低甚至无法正常运行。拟通过地下岩土热物性测试并利用专业软件分析，获得地埋管区域基本的地质资料、岩土的热物性参数及测算的每延米地埋管换热孔的换热量，为地热换热器设计、换热孔钻凿施工工艺等提供必要的基本依据。2、测试设备本工程采用与通用所合作研制开发的岩土热物性测试仪，如图3所示。该仪器已申请国家发明专利。并已广泛应用于x、上海、山东、河北、山西等一大批地源热泵工程中的岩土层热物性测试。图3 岩土热物性测试仪3、测试依据地源热泵系统工程技术规范 GB50366-2005 ( 2009年版)。本测试采用国际上较为流行的现场实测方法。在换热孔完成后，将其回路与热反应检测设备相连接。此时检测设备与地埋孔形成闭式回路，通过其内部循环水泵运转，可使循环液在系统内部不断循环，此时检测设备内部相关记录仪器工作，并记录下相关信息。Fig.热反映检测简单原理图地层静默温度检测主要为了得到建筑物所在地的地层初始温度，一般在测试前期循环过程获得。热反应检测主要

5、通过恒热流加热器向实际换热孔注入稳定能量，并检测换热孔对于注入能量的反应，得到地埋孔的实际热阻情况，从而解算出孔深平均换热系数。Fig.换热孔热阻示意图R1换热管内对流换热热阻；R2换热管管壁热阻；R3换热管外管壁与回填料的接触热导系数热阻；R4回填料的导热热阻；R5回填料与孔壁的接触热导系数热阻；R6大地热阻，即地层总热阻由于通过现场热反应检测可得到准确的基础设计参数，再配合软件计算后其精确度远高于传统的延米换热量（W/m）估算，故此种检测及设计方法备受推崇。故精确的前期测量对于提高系统的经济性，增强系统的稳定性有着巨大的作用。4、现场照片现场测试图片四、测试结果与分析1、测试基本参数表1 为测试孔的基本参数。表1 测试孔基本参数项目测试孔项目测试孔深度（m）110钻孔直径（mm）150埋管形式双U型埋管材质PE管埋管内径（mm）26埋管外径（mm）32钻孔回填材料原浆主要地质结构粗砂与卵石2、测试孔检测情况序号项目情况说明备注1静默检测开始时间2012年5月10日19：402静默检测结束时间2012年5月10日22：303热反应检测开始时间2012年5月10日22：384热反应检测

6、结束时间2012年5月16日13：165热流设置两组6记录时间间隔30秒/次自动记录3、测试结果测试结果见下。循环水平均温度测试结果见下图。初始温度：13.1；导热系数： 2.086W/m；容积比热容：2.437106J/m3。循环水平均温度测试结果3、结果分析钻孔结果表明：该地埋管区域地质构造以粗砂与卵石为主。具体地质构造见下表。序号厚度m层底深度m地层描述备注144地表土237粘土31926卵石层粒径约23厘米4935粘土层5742卵石层粒径约23厘米61860粘土、卵石层71777细沙、泥8683铁板砂9891圆砾层1024115中粗砂地埋管区域地质构造测试结果表明：初始温度：13.1；埋管区域的平均综合导热系数为2.086W/m，数值较高，平均容积比热为2.437106J/m3，数值较大，该区域适宜应用地源热泵空调系统。五、单位孔深地埋管的换热量评价与布孔方案1、 影响每米孔深地埋管换热量的因素地埋管单位孔深的热交换量与多种因素有关。简述如下：（1）、地埋管传热的可利用温差，即U型埋管中的水（循环液）热交换后允许达到的最低或最高温度与岩土换热前未受热干扰时温差。可利用温差与地热

7、换热器的设计参数有关。本报告地埋管循环液冬季最低温度采用3，夏季最高温度采用32。（2）、每年从地下取热量与向地下释放热量是否平衡。二者相差越大，对地热换热器换热效率的影响越大。考虑到测试区域冬季温度低，采暖期长，应充分考虑冬季从地下提取热量与夏季向地下放入热量的平衡问题。（3）、地埋管单位孔深的热交换量还与地埋管间距、地下水位的高低和岩土层含水量多少等因素有关。2、单位孔深地埋管的换热量评价单位孔深换热量是地热换热器设计中重要的数据，它是确定地热换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数量与埋管结构等的重要依据。单位孔深换热量取值偏大，将导致埋管量偏小、循环液进出口温度难以达到热泵的要求。结果导致热泵实际的制热、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，埋管量将增加，工程的初投资增高。但热泵机组的运行费用将会降低。在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域地质条件深层岩土热物性的测试情况、考虑到当地地温初始温度（13.1）、冬季地埋管循环液温度设定（37）等因素，提出地埋管方案设计时的参考单位孔深地埋管的换热量如下：对于De32双U型地埋管

8、，根据现场测试孔的实验结果，测试孔换热影响半径内土壤综合有效导热系数为：2.086W/m，平均容积比热为2.437106J/m3。双U在夏季工况下，地埋管循环液高温度采用32，双U平均换热能力为6064W/m，由于热传导试验数值计算模型所要求的前置假设条件和标准的测试操作要求难于实现，加之野外测试是单孔试验，而项目实际操作是采用大面积集中布孔，存在热干扰导致岩土换热能力下降的问题，故对平均换热量的选取适当留有余量，推荐设计方案采用55W/m的放热量取值；在冬季工况下，尽管工况不同，取其平均值推算，在原始地温为13.1，冬季地埋管循环液温度设定（37）的情况下，双U平均换热能力为3844W/m，考虑到单孔换热能力的长期运行效果以及今后场区内的布孔范围、数量，推荐设计方案采用35W/m的吸热量取值。3、垂直埋管的布孔方案（1）、埋管方式 建议采用当前一般所采用的竖埋管形式，竖埋管形式中又以U型管运用的较多，这种方式更能充分利用场地面积，埋深可较大，施工成本较低，本项目建议选用双U型管，单管管径为de32，同时由于钻孔深度较深，竖直埋管材料宜采用PE100材料。垂直地埋孔可在别墅前后空地、绿地等等处每栋别墅独立布置，可以减小集群效应，有利于地埋系统的换热。（2）、孔深 施工现场可钻性适中，经过施工现场测试孔的具体施工情况来看，粉质粘土、粘质粉土在115m以内仅占30%弱，其余均以小卵石层和砂砾石层为主，间夹部分砂层，未发现大卵石和漂石，在转进过程中有较为明显的透水层，须采取钠土造浆护壁等防漏措施，泥浆用量偏大，钻进条件一般。因此，我们建议本工程的地埋孔开凿深度可以设定为110-120米。（3）、孔径按照地源热泵系统工程技术规范（GB 503662005）要求孔径不宜小于110mm，结合及施工方便等其它因素，建议选取孔径为150mm。（4）、孔间距按地源热泵系统工程技术规范（GB 503662005）要求间距为36m，结合本建设项目场地面积的实际情况，拟取孔间距4m（在具体场地条件容许的情况下，可适当增大孔间距）。（5）、回填砾料 建议采用细沙与粘土的土砂混合物，以提高埋管的换热量。不得有大粒径的颗粒，缓慢回填，以保证紧实度，减少传热热阻。六、地埋孔数量的确定

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