20l1Vol 6 No. 3席雪萍等:熱響應(yīng)測試實例及問題分析第6卷第3期熱響應(yīng)測試實例及向題分析席雪萍,孫振營天津市地質(zhì)工程勐察院,天津300191)摘要:地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用前景廣闊,本文嘗試釆用基于圓柱熱源理論的柱模型,在天津市?？h團泊新城,為某豎直地埋管建設(shè)項目設(shè)計了2鉏取熱和2組排熱工況熱響應(yīng)測試試驗,為地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能運行,提供了必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時我們還總結(jié)了熱響應(yīng)測試過程中應(yīng)該注意的問題,為以后工作提供了建議。關(guān)鍵詞:地源熱泵:圓柱熱源理論;熱響應(yīng)中圖分類號:TK521.2文獻標識碼:A文章編號:1007-1903(2011)03-0049-0淺層地熱能屬于清潔、可再生資源。地埋管地源論;1954年 ingersoll等人對其進行了進一步的閘述熱泵系統(tǒng),由于量大面廣,具有廣闊的開發(fā)利用前景1991年經(jīng)過 Derman和 Kavanaugh改進,理論更加趨現(xiàn)場熱響應(yīng)測試是地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用于完善:200l年 Bernier改進模型可用于變流量的情淺層地熱能資源的首要技術(shù)程序,通過現(xiàn)場試驗,可形;現(xiàn)今,還有很多學(xué)者對算法進行硏究,使得計算以掌握淺層土壤在外界熱激勵作用下的動態(tài)響應(yīng)過程過程更為快捷,計算精度也更高。本文計算主要參考獲得土壤初始溫度、熱物性參數(shù)以及地下?lián)Q熱規(guī)律了 Louis lamarche等人最近提出的改進G函數(shù)模型為地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能運行提供必要的數(shù)據(jù)計算公式如下。依據(jù)。地下?lián)Q熱量q(W/m)是根據(jù)流量和進出口溫差獲得本文采用基于圓柱熱源理論的柱模型,在天津市的,即靜?？h團泊新城,為某豎直地埋管建設(shè)項目設(shè)計了2組取熱和2組排熱工況熱響應(yīng)測試試驗,測試結(jié)果得H到了專家認可,并且與室內(nèi)熱物性參數(shù)測試結(jié)果基本致。同時我們還總結(jié)了熱響應(yīng)測試過程中應(yīng)該注意對于鉆孔內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱過程,滿足:的問題,為以后工作提供了建議。t -tB=qRD1測試原理熱響應(yīng)試驗在理論上可以歸結(jié)為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題,其數(shù)學(xué)模型包括基于線熱(3)源理論的線模型和基于圓柱熱源理論的柱模型。與線在鉆孔傳熱分析中,G函數(shù)定義如下:熱源模型相比,圓柱熱源模型考慮了埋地換熱器內(nèi)部流體換熱在內(nèi)的整個鉆孔傳熱熱過程,以及回填影響、1-=n2G(,月(4)不均勻熱流、熱短路等諸多因素,更加能夠準確反映中國煤化工埋地換熱器與周圍巖土的真實換熱狀況。本文采用基GltCNMHG+ ercudz-D-D于圓柱熱源理論的柱模型。1947年 Carslaw和 Jaeger首次提出了圓柱熱源理(5)201l2011第6卷第3期技術(shù)應(yīng)用Vo1. 6 No. 3√m2+r(y√P2+1)-B數(shù)(WmK),K為循環(huán)介質(zhì)與U形管內(nèi)壁的對流換熱y2(2+1)-y202系數(shù)(Wm2K),D為地埋管兩根管子的中心距(m,t為平均土壤初始溫度(℃C),rb為鉆孔半徑(m),τ為計B算時間(s),α為熱擴散系數(shù)(m2/s),λ為土壤熱導(dǎo)率(WmK),e為誤差函數(shù),Gt)為G函數(shù)。Dn=√B2+ler√P2+1)-0.0erk(y)+為了計算方便,求解G函數(shù)及換熱實驗結(jié)果處理2+4yr(y√B+4)-r(-0.s(e"+ep"均通過編制程序來完成。B(7)2測試裝置其中:B=/H,t=1,=H,y=3/2F測試裝置主要由控制主機和測量系統(tǒng)兩部分組成主機部分的結(jié)構(gòu)原理見圖1所示。其中加熱功能主要由上可知,只要通過土壤換熱實驗獲得了地下?lián)Q依靠盤管加熱器,冷卻功能由壓縮機、冷凝器、膨脹熱量q和流體平均溫度之間的關(guān)系,就可以進一步閥和蒸發(fā)器組成的封閉制冷循環(huán)來完成。測量參數(shù)主通過參數(shù)估計法來獲得土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。要包括進出口溫度以及流量,其中溫度通過Pt1000型鉑電阻測量,測量精度為0.1℃;流量通過電磁式流量計測量,測量精度為0001m3/h。RF(B)(8)在本次地下?lián)Q熱實驗中,埋地換熱器的平均流體溫度變化范圍為25~32℃和5~10℃,這與地源公式中;m為質(zhì)量流量(kgs),cn為定壓比熱(J熱泵系統(tǒng)的實際運行工況基本接近。在實驗過程中kgK),H為埋地換熱器的有效深度(m),t和t分別先后測定埋地換熱器的取熱和排熱能力,并且通過地為進口/出口水溫(℃),t為流體平均溫度(℃C),且下?lián)Q熱量隨流體平均溫度的線性變化的擬合方程來r=(t+t)2b為鉆孔壁溫度(℃),R為鉆孔總熱阻(mK/確定測試數(shù)據(jù)的有效性。一般要求回歸系數(shù)R2大于W),d,為埋管內(nèi)徑(m),d,為埋管外徑(m),d為鉆孔0.85~0.90范圍,否則表明測試結(jié)果嚴重偏離線性關(guān)直徑(m),λ埋管管壁導(dǎo)熱系數(shù)(W(mK),λ鈷孔回系,則需通過方差分析確定補做試驗工況,以保證測填材料導(dǎo)熱系數(shù)(w(mK),λ,埋管周圍巖土的導(dǎo)熱系試數(shù)據(jù)的可靠性。11鉆孔5回填材率7 PID中國煤化工圖1埋地換熱器試CNMHG水箱;2—測試儀殼體;3——埋地換熱器循環(huán)泵:5—加熱器:6—蒸發(fā)7——一控制器;8—壓縮機;9——膨脹閥:10—冷凝器:11——冷卻風(fēng)機20112011Vol 6 No. 3席雪萍等:熱響應(yīng)測試實例及問題分析第6卷第3期3熱響應(yīng)測試表1換熱孔地下?lián)Q熱實驗結(jié)果一覽表進口溫度出口溫平均流量換熱量(1)場地條件5.051.0248-33.81建設(shè)項目位于天津市靜?？h團泊新城規(guī)劃區(qū)內(nèi)取熱-m7.5110.361.0197-28.21擬建物為1~3層的連排商業(yè)樓,換熱系統(tǒng)供給建排熱24.1621.56037531.99筑面積為33000m2,豎直地埋管擬釆用雙U管,孔排熱28,21.0168徑260mm,深度100m;場地地勢平坦,地面標高15~2.34m;地面無植被、排水溝和電信電纜;地層為第四系松散沉積層,巖性以粉質(zhì)粘土和粉砂為主,0。0土質(zhì)不均,平均密度2021kgm3,平均含水量242%,基本處于飽和狀態(tài);淺層地下水水位埋深一般在豎6=gmmp1.0~20m,水位動態(tài)為降水滲入蒸發(fā)型,同時受人工開采的影響:地下水以垂直越流運動為主,水平徑流02410121416182022緩慢(2)熱響應(yīng)試驗設(shè)計(a)取熱工況-根據(jù)工程特點和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,在地埋管擬建場地相近位置布置一個Φ108mm取樣孔-進口亂度和一個φ260mm熱響應(yīng)測試孔,鉆探、取樣、實驗、水壓試驗和測試均按有關(guān)規(guī)范嚴格操作。原狀取樣已孔用于査明巖土體結(jié)構(gòu),做常規(guī)物理力學(xué)試驗以及不同巖性土層的熱物性參數(shù)。熱響應(yīng)測試孔成孔后下U型管前,進行視電阻率和自然電位測井,劃分咸淡水界面;測井完成后埋設(shè)DN32雙U型HDPE(b)取熱工況Ⅱl埋地換熱器,回填為原漿材料;通過循環(huán)法獲得測試地點的土壤初始溫度;采用恒溫法對換熱孔實施2進1溫度換法鹽組取熱和2組排熱工況試驗,以反映埋地換熱器的實際工作性能(3)熱響應(yīng)測試熱響應(yīng)測試共分為3個工況:空轉(zhuǎn)、取熱和排熱024681012141618202224工況?？辙D(zhuǎn)工況用于測試土壤的平均溫度,取熱工況和排熱工況用于測試土壤換熱能力(c)排熱工況-在不開啟加熱或制冷裝置條件下,而僅依靠循環(huán)泵來維持地埋管換熱器環(huán)路循環(huán),經(jīng)過12小時后,測得土壤的初始溫度穩(wěn)定為15.18℃,換熱孔進行了2組取熱和2組排熱工況,測試結(jié)果見表1和圖2所示。取熱工況下,隨著進口溫度的進口溢度減小,地下?lián)Q熱量呈逐漸增大趨勢;對于排熱工況隨著進口溫度的增加,地下?lián)Q熱量呈逐漸增大趨勢?！?-”符號代表傳熱的方向,其中“-”代表由土壤向V中國煤化工埋管傳熱,“+”代表由埋管向土壤傳熱CNMHG圖2換熱孔地下?lián)Q熱特性實驗結(jié)果圖201l2011第6卷第3期技術(shù)應(yīng)用Vo1.6 No. 3根據(jù)表1繪制出地下?lián)Q熱量q隨埋地換熱器管內(nèi)性變化,實驗室分析誤差,現(xiàn)場試驗效果和模型誤差。流體平均溫度的變化關(guān)系(見圖3)。一般而言,曲線斜率越大,土壤的熱傳導(dǎo)性能越好,地下?lián)Q熱量越大5問題分析本次換熱孔地下?lián)Q熱量滿足以下實驗方程q=4.0973t6268(R=0.9972)在試驗過程中,以下事項必須引起注意:通過以上方程,即可以掌握埋地換熱器在不同運用于室內(nèi)巖士熱物性參數(shù)測試的土樣建議采用三行溫度下的地下?lián)Q熱量,從而為地源熱泵系統(tǒng)的進管單動取樣器,這樣可以長時間保持土樣的水分,保步優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)與方程,證試驗的精準度;若采用普通敞口取土器,土樣在運計算獲得土壤導(dǎo)熱系數(shù)輸和待檢過程中可能嚴重失水,造成土樣不飽和,使3=149±005W(m℃)(10)得室內(nèi)熱物性參數(shù)測試結(jié)果嚴重偏小,經(jīng)過失敗實例調(diào)查,有的結(jié)果甚至偏小50%以上。天津大部分地區(qū)巖性以粉質(zhì)粘土和粉土為主,因50k=4.097,-B2.68gR=0.9972此用于電阻率測井的換熱孔,施工時要進行護壁處理,30否則鉆孔可能很快淤實或塌井,造成測井的測繩無法夏季工況順利下入。本次工作中,原本打算在取樣孔中完成電阻率測井,由于沒有護壁,完成鉆探30分鐘后,電阻10原始姓溫率測繩放入不到5m就無法繼續(xù)地埋管的長度是預(yù)先設(shè)計好的,換熱孔鉆探深度冬季工況比試驗要求深度不能大于0.5m,否則埋管后,在重力202530作用下埋管可能嚴重下沉,甚至管口低于地面高度,流體平均溫度(℃)給試驗帶來不便。經(jīng)過失敗實例調(diào)查,當鉆探深度大圖3地下?lián)Q熱量隨管內(nèi)流體平均溫度的變化關(guān)系圖于地埋管長度時,地埋管下入后,有時采取了固定措施,都無法阻止地埋管下沉,嚴重時甚至無法將管再次提起4結(jié)論地埋管原漿回填一定要按照規(guī)范嚴格執(zhí)行,反對為了偷工減料,直接用稀泥漿回填,否則將嚴重影響本文基于圓柱熱源理論,進行了某建設(shè)項目的熱試驗效果。根據(jù)失敗實例分析,這種用稀泥漿回填的孔,響應(yīng)試驗,為地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能運行提供定時間后多半地面會產(chǎn)生塌陷,而且試驗結(jié)果偏小必要的數(shù)據(jù)依據(jù)本文是在現(xiàn)場熱響應(yīng)測試實際工作中的粗淺認識根據(jù)室內(nèi)巖土熱物性參數(shù)測試和土工試驗結(jié)果分希望與其他學(xué)者和工作人員共同探討,在地源熱泵系析,取樣孔平均導(dǎo)熱系數(shù)1.58w(mK);地層綜合熱統(tǒng)硏究領(lǐng)域取得進步。擴散率為0.35×10m2/s;利用電阻率測井,得出咸淡水界面在埋深5m處:在當前測試季節(jié)下,土壤的平參考文獻均初始溫度為15.18℃;垂直地埋管孔深100m,孔徑260mm,采用雙U型管換熱器,利用原漿回填,換熱1] A new contribution to the finite line- source model for孔取熱工況下?lián)Q熱量為-2821~33.81W/m,排熱工 geothermal boreholes. Lamarche L, Beauchamp E. Energy況下?lián)Q熱量為31.99~4262W/m,土壤平均導(dǎo)熱系數(shù) and Buildings.2007,39(2):188~1981.49±0.05W/(m℃)。[2 Impdy of thermal中國煤化工對比室內(nèi)巖土熱物性參數(shù)測試和現(xiàn)場熱響應(yīng)測試test forof ground source heat結(jié)果,兩者偏離6%,滿足試驗要求。產(chǎn)生偏差的因素CNMHpumpgying Qi Renewable主要包括鉆孔取樣、封裝及運輸過程中引起的土樣物Energy.35(2010):727~73320112011Vol6 No. 3席雪萍等:熱響應(yīng)測試實例及問題分析第6卷第3期3]涂愛民,董華等,基于圓柱源理論模型的U型埋管換[4]趙軍,段征強等.基于圓柱熱源模型的現(xiàn)場測量地熱器的模擬研究.太陽能學(xué)報,200627(3)260~26下巖土熱物性方法.太陽能學(xué)報,2006,27(9)934~936Research on Example of Thermal response Test and Its problemsXueping Sun Zhenyin(Tianjingute of Geological Engineering, Tianjing 300191)designed two heat-extraction and two heat-injection thermal response tests which are based on cylindrical heatsource theory for some vertical buried tube building project in Tianjin Tuanbo New City. The tests provideimportant data for optimal design and energy-saving operation. The test results are accepted by experts, andconsistent with parameters of thermal properties in laboratory. At the same time, we summarizes problems whichneed taking care in thermal response test processes. And it can supply invaluable opinions and suggestions infuture workKeywords: Ground source heat pump; Cylindrical heat source theory; Thermal response test項高精度多手段區(qū)域工程地質(zhì)成果顯示北京11個規(guī)劃新城適宜建設(shè)本刊訊(滕艷段金平)4月13日,記者從通過評審的《北京規(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查評價報告》中獲悉,北京市∏Ⅰ個規(guī)劃新城的工程地質(zhì)條件及場地穩(wěn)定性較好,適宜于場地建設(shè)。中國科學(xué)院院士李廷棟等專家認為,項目成果總體達到國際領(lǐng)先水平,不僅為北京市建成現(xiàn)代化、國際化大城市提供了重要地質(zhì)依據(jù),而且對全國其他大城市建設(shè)及城市地質(zhì)工作也具有重要借鑒價值?！侗本┮?guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查評價》項目由北京市地勘局承擔,包括《北京規(guī)劃新城及重大工程前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查(順義、通州、亦莊)》和《北京大興等8個規(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查》兩個子項目和11個專題項目,總經(jīng)費6050.97萬元。據(jù)該項目是北京首次開展的大范圍、高精度、多手段新城區(qū)域工程地質(zhì)勘查工作,旨在通過在北京順義、通州、亦莊、大興、房山、門頭溝、昌平、密云、懷柔、平谷、延慶11個規(guī)劃新城開展前期基礎(chǔ)地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查,對規(guī)劃新城范圍內(nèi)可能存在的各種地質(zhì)問題進行詳細研究和評價,提出科學(xué)合理的防治措施,保證新城建設(shè)的安全,并為新城規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。歷時4年攻關(guān),項目組對1個規(guī)劃新城的工程地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害危險性、建設(shè)場地穩(wěn)定性、工程建設(shè)適宜性、地下空間開發(fā)利用條件等,進行了勘查評價研究,認為11中國煤化工牛及場地穩(wěn)定性較好,適宜于場地建設(shè),并獲得多項成果。CNMHG