丰县中医院新城分院地源热泵热响应测试报告教程

丰县中医院新城分院地源热泵工程地下埋管换热器热响应测试报告
中国矿业大学力学与建筑工程学院热能利用研究所徐州纳奇能源科技有限公司
2014-06-26
目录
1工程简介 (1)
2地源热泵系统简介 (1)
2.1工作原理 (1)
2.2地源热泵的特点 (1)
2.3地源热泵适用性与地下换热器换热性能影响因素分析 (3)
2.3.1地温因素 (4)
2.3.2岩土热物性 (4)
2.3.3埋管形式 (4)
2.3.4埋管深度 (5)
2.3.5埋管间距 (6)
2.3.6季节性地下岩土热平衡问题 (6)
3地埋管换热器热响应测试 (6)
3.1测试目的 (7)
3.2主要测试内容 (7)
3.3测试原理与方法 (8)
3.3.1测试依据 (8)
3.3.2测试仪器与原理 (8)
3.4测试方案 (11)
3.4.1测试孔的定位 (11)
3.4.2测试过程 (12)
4岩土层结构 (14)
5测试结果与数据分析 (15)
5.1试验井测试结果 (15)
5.1.1岩土初始平均温度的确定 (15)
5.1.2试验井土壤导热系数的确定 (15)
5.1.3试验井夏季工况岩土排热能力的确 (17)
5.1.4试验井冬季工况岩土取热能力的确定 (18)
5.2测试结果汇总 (21)
6测试结论与分析 (23)
1工程简介
江苏徐州丰县中医院新城分院项目位于丰县开发区，东环路东侧，经六路西侧，南方路南侧，南环路北侧，地势平坦，交通便捷。

该工程建筑物主要由病房综合楼、急诊楼和辅助用房及地下车库组成。

用地面积85亩，规划分为二期，其中一期为住院楼和门急诊楼、二期为住院综合楼和医技楼以及配套设施用房。

总建筑面积91597平方米，地下建筑面积为22268平方米。

工程以节能、环保、低碳为设计理念，拟采用地源热泵系统作为中央空调冷热源。

按照规划要求，设计U形竖直埋管换热形式，地埋换热管下管深度100m。

由于地源热泵设计的特殊性，需为后期地埋管换热器设计和施工提供比较准确的地质和换热数据，因此受项目工程部委托，本次测试主要完成该工程2处试验孔地下埋管换热器的热响应试验。

测试目的在于通过实际测试孔勘查地质情况，并通过测试获取试验孔的换热性能和岩土热物理性能，以期对该工程土壤源热泵系统的工程决策、设计和施工提供参考和数据支持。

2地源热泵系统简介
2.1工作原理
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。

地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。

地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。

实质上是利用土壤的蓄冷和蓄热性能，通过中间介质在封闭的地下换热器中循环流动，从而实现与土壤的热交换。

通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。

2.2地源热泵的特点
地源热泵具有很多优点，它对节能和减少环境污染等方面都有积极的意义。

1、首先，地源热泵系统取“热”，不取“水”。

这与地下水源热泵系统不同，因此不会造成底层沉降，由于循环水在完全封闭的地下管路中流动，对地下环境与任何污染；
2、地源热泵具有较高的经济性，节能效果明显。

空气源热泵利用室外空气作为热源和热汇，而室外空气随季节变化十分明显，这便使得空气源热泵的制冷、制热量随季节变化而波动幅度很大。

在冬季冷月，室外温度也达到全年最低，空气源热泵的工质从室外吸取热量也变得越发困难；夏季则相反，最热月空气源热泵工质向室外空气放热则越发困难。

这常常使得空气源热泵的制冷量、制热量达不到用户要求。

而土壤源热泵用全年温度相对稳定的地表浅层土壤做热源和热汇，解决了这种窘境。

我国幅员辽阔，各地地表浅层土壤温度有所不同。

据资料介绍，5m以下的土壤平均温度基本上不随季节变化而改变，且约等于该地区的年空气平均温度。

因而，需制热的冬季，地表浅层土壤的温度比室外空气温度高；需制冷的夏季，其温度则比室外空气温度低。

这样，热泵工质与土壤的温差在冬、夏季都保持较高的水平，可提高制冷系数和制热系数，使得地源热泵全年在较高的COP下运行。

3、在制热季节，当室外温度在-12.8~5.8℃，湿度在67%时，空气源热泵的室外空气侧换热器严重结霜。

结霜严重影响换热器传热性能，这种情况下通常做法是启动制冷功能除霜。

地源热泵在制热季节一般工作下10~25℃的低温下，因此不会结霜也无需除霜，提高了COP值，延长了机组寿命。

4、地源热泵从大地中取热，向大地放热，利用地表土壤实现跨季节蓄能。

夏季向土壤蓄热，有利于冬季系统的运行，而冬季向土壤蓄冷，有利于夏季系统的运行，系统全年COP高。

5、地源热泵具有良好的环保特性。

地源热泵系统利用浅层地热这种可再生能源，无任何燃烧设备，无排烟，没有废弃物，没有漂水损失；虽然其驱动能源仍是直接或间接使用化石燃料，但与燃烧化石燃料的锅炉供热方式相比，大大减小了对环境的污染。

6、同空气源热泵相比，地源热泵也存在一些不足，如：初投资大、冬夏季负荷的平衡问题比较重要。

地源热泵初投资不但包括传统空调系统的地面上的管
路及设备的费用，还要包括地面下的换热器的费用，而且还包括初期的勘探、钻孔、及地下管路敷设等费用。

北方地区还要考虑防冻、水管要进行保温，也增加了初投资。

据统计，当土壤热交换器的初投资较低时，投资回收期在0.5-3年之间。

当土壤热交换器的初投资较高时，多数情况下投资回收期在2-3.5年之间。

冬夏季热不平衡会导致土壤温度逐年的上升或下降，使得系统某一工况运行效率越来越低，最终无法运行，这是工程中必须注意的。

2.3地源热泵适用性与地下换热器换热性能影响因素分析
地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。

它是以可再生的低温地温能为冷热源进行供热制冷的新型能源利用方式，与使用煤、气、油等常规能源供暖空调方式相比，具有清洁、高效、节能的特点，被誉为“二十一世纪的绿色空调技术”。

热地源热泵系统适用性主要取决于工程所在地的土壤温度、建筑物负荷情况、地质情况以及是否具备充足的土壤换热器施工场所。

适中的冬夏均可利用的土壤温度、较小但稳定的冷负荷、较少风化岩石和富含流动性好地下水的地质情况是采用地源热泵的理想条件。

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分。

地埋管的换热性能是影响地埋管地源热泵系统效果的关键，是土壤源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。

地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。

对于给定的建筑场地条件
应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低。

影响地埋管换热性能和经济性的因素很多，主要涉及以下几个方面：
2.3.1地温因素
合适的土壤温度是地源热泵实施的基础条件，对于地源热泵系统土壤换热器内循环流体与土壤温度保证10℃的温差是较为有利的，14~18℃的土壤温度既在夏天足以替代冷却塔作为热泵机组的冷却系统，在冬天也可以在不添加防冻剂的条件下作为热泵的地位热源使用。

高于20℃的土壤温度用于持久制冷的潜力较小，因为其土壤温度在地源热泵运行持续一段时间内达到稳定后土壤换热器周围的土壤唯独已高于常规冷却塔系统，这会造成土壤换热器内循环流体能获得的温度差急剧减小，而导致热泵机组效率和出力下降。

而低于7℃的土壤温度虽有利于制冷，但为了避免土壤冻结制热的能力会受到限制，在寒冷地区的土壤热泵必须为土壤换热器循环水添加乙二醇等防冻剂，此时热泵机组效率也会有较大的下降，同时土壤换热器数量和占地面积都会有较多增加。

2.3.2岩土热物性
地下埋管处岩土的热物性参数对埋管换热性能有着重要影响。

地源热泵设计的关键在于获得准确的当地岩土热物性及其取放热特性，其大小对钻孔的数量及深度具有显著的影响，进而影响系统的初投资。

当地下土壤的热导率或热扩散率发生10%的偏差时，地下埋管设计长度偏差为4.5%～5.8%，导致钻孔总深度的变化。

由于钻孔的成本较高，因此必须准确地测量土壤的热物性参数。

如果岩土热物性参数不准确，也会导致所设计的系统与负荷不相匹配，从而不能充分发挥其节能优势，因此准确确定地层热物性参数对于地下换热器设计来说至关重要。

2.3.3埋管形式
根据埋管形式的不同，一般有单U 形管，双U 形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式。

目前使用最多的是单U形管、双U形管、套管和单管式。

按埋设深度不同分为浅埋(<30m)、中埋(1m-80m)和深埋(>80m)。

U形管型是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100～150mm，U 型管换热器的埋深取决于可提供的场地面积以及施工技术，一般在10m-200m。

U形管径一般在φ50mm以下（主要是流量不宜过大所限）。

由于其施工简单，
换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。

套管式换热器外管的直径可达200mm，由于增大了换热面积，可减少钻孔数和埋深。

但内管与外腔中的液体发生热交换会带来热损失，而且下管的难度和施工费用也增加。

单管型埋设方式可以降低安装费和运行费。

在地下水位以上用钢管作为护套，直径和孔径一致，典型的孔径为150mm，地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。

这种方式受水文地质条件限制，使用有限。

2.3.4埋管深度
由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同一地区不同区域岩土体深度的换热特性和温度差别都很大。

研究表明地球表面的地壳层可分为三带：可变温度带、恒温带和增温带。

可变温度带受太阳辐射和大气温度的影响，其温度呈现周期性变化，其厚度一般为15-20 m；恒温带，其温度变化幅度几乎为0，深度一般为20-30m；增温带，在常温带以下，温度随深度增加而升高，其热量主要来自地球内部的热泵。

竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况，工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。

不同埋管深度因岩土体构造和初始温度不同，而且钻孔深度要求不同，会影响地埋管换热器的换热效果和钻孔成本。

一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低，钻机要求不高，可使用普通承压（0.6MPa～1.0MPa）的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡较好。

其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中、深埋者低。

深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定换热效率高，单位管长换热量大，管路接头少。

其缺点是投资大，成本高，需采用高承压（1.6MPa～2.0MPa）塑料管，钻机要求性能高；由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果。

中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。

从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。

为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，同时又具有较好的经济性，需要根据取决于场地大小，当地岩土类型及挖掘成本进行分析计算。

2.3.5埋管间距
为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。

合理的间距选取是地源热泵换热器设计过程中重要的一环。

间距过小，换热短路，影响地埋管换热器的运行和温度恢复；间距过大，有利于换热，但地下埋管占用面积增加，工程开发成本增加，而另一方面可利用面积受工程规划的限制，间距亦不能过大，因此合理埋管间距的选择应考虑传热性和经济性的平衡点，通过实测和计算分析优化。

2.3.6季节性地下岩土热平衡问题
由于地源热泵系统夏季运行时，系统吸收室内热量，需向大地排放冷凝热，土壤吸收热量后，会改变其自身温度场，使其温度逐渐升高；在冬季运行时，系统需吸收大地热量，从而降低土壤温度。

就季节性而言，如夏季排放的热量与冬季吸收的热量相吻合，则全年大地温度场变化不大，因而系统可长期持续稳定运转；但若夏季排热量与冬季吸热量不吻合，则势必造成大地温度场持续升高或持续降低，而由于大地温度场的持续改变，将影响地源热泵系统的长期运行效果，同时也会给环境生态带来不可预料的影响。

由于季节性热平衡与普通热平衡不同，要实现100%相等是很难也是不可能实现的。

长期的实验研究及数据分析，认为只要系统夏季排放的热量与冬季吸收的热量相差在10%～20% 以内，均可认为达到季节性热平衡。

只要在此范围内，由于系统吸热、排热对大地温度场造成的年改变将可通过土壤的蓄热、传热以及热衰减等加以恢复。

而对于吸排热量难以自我平衡的系统，则只有借助外来因素加以平衡。

如对于南方地区，夏季炎热、冬季暖和，则系统运行时，夏季排热量必然远大于冬季吸热量，为保证地源热泵系统长期稳定运行，可采用加冷却塔的方式进行辅助散热。

而对于北方地区，冬季寒冷、夏季温度适宜，则系统运行时，冬季吸热量必然远大于夏季排热量，因此为保证地源热泵系统长期稳定运行，可采用辅助热源方式（如太阳能、生产生活废热等）提供热量。

3地埋管换热器热响应测试
3.1测试目的
如前述影响地源热泵地源系统性能的因素较多，不同地质构造、不同地区、不同埋管方式、不同运行方式等都会产生不同的换热结果。

地源热泵设计的关键在于获得准确的当地土壤热物性及其取放热特性，其大小对钻孔的数量及深度具有显著的影响，进而影响系统的初投资。

同时，如果岩土热物性参数不准确，也会导致所设计的系统与负荷不相匹配，从而不能充分发挥其节能优势。

据测算，土壤导热系数若增加一倍，所需要的地埋管长度，可以减少20%以上，因此准确确定地层热物性参数对于地下换热器设计来说至关重要。

国家标准《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）及其修订版（2009）中也明确规定，闭式地埋管土壤源热泵地下换热器的设计计算应根据现场实测出的岩土体及回填料的热物性参数，采用专用软件进行计算。

目前，常可用土壤类型辨别法、取样测试法、探针法及现场测试法来确定土壤热物性。

由于地下情况多变，而且往往由多个地层组成，单纯的按照前三种方法来确定埋管现场土壤热物性会带来很大的误差，另外不同的封井材料、埋管形式、埋深对换热和工程投资都有影响，因此只有在现场直接测量才能准确地得到地下岩土的热物性参数及其换热能力。

热响应试验对于正确设计地下换热器是非常重要的，它是直接在地下钻孔换热器中进行测量，综合考虑了地下各层不同岩土层的热物性和导热系数及打孔深度内的其他影响因素，其得出的数值更确切，对于设计地埋管换热器来说更具有价值，并为方案的经济性分析提供基础资料。

3.2主要测试内容
本次地下换热器测试的主要内容：
●地埋管换热器钻孔施工，获取地质构造情况
●地埋管换热器PE埋管施工
●地埋管换热器热响应实验
1）通过热响应实验现场测试，获得无干扰条件下埋管现场土壤的初始
温度和热物性参数（岩土综合导热系数、综合热容等），为土壤源热泵
地下换热器的设计与优化提供依据
2）模拟夏季和冬季工况，获得地下埋管的单位井深放热和取热能力，
为埋管长度的设计及其布置提供参考。

3）改变流量和运行方式，通过实测数据，分析土壤源热泵不同流量下
地埋管换热器阻力特性；
撰写热响应测试报告，为本项目地源热泵设计与运行提供参考意见。

3.3测试原理与方法
3.3.1测试依据
《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）（2009版）
3.3.2测试仪器与原理
现场测试系统主要包括循环系统、加热系统、制冷系统、连接管及其保温材料、数据采集系统和辅助设备。

循环系统的主要功能是实现水在地下埋管换热器与测量仪中的循环流动，以及循环水流量的调节。

加热和制冷部分主要用于加热和冷却循环水，使循环水在地层中散失和获取的热量得到补充。

数据采集系统的主要功能是测量地埋管进回水的水温以及循环水的流量，其功能是靠两个温度传感器和一个流量计实现的。

两个温度传感器分别设置在测量仪出水和回水的管道上，通过数据采集仪实时记录。

流量计安装在测量仪供水管路上。

辅助设备包括测量仪用电设备供电、加热功率调节、辅助测温装置等。

试验采用计算机数据采集，每10s采集一次数据，自动存储供分析用。

图1所示给出了测试系统装置示意图，主要包括：控温水箱、电加热器、风冷热泵机组、循环水泵、流量控制阀、循环管道、涡轮流量计、温度传感器和压力表等。

为确保试验结果的准确性，在试验前对温度传感器和流量计进行了标定和校正。

对温度传感器的标定在在水浴中进行，以精度为0.1℃的精密水银温度计为基准，校正的区间为0~40℃，覆盖传热实验的整个温度区间。

流量计的校正采用称重法和体积法两种方法，进行对比标定。

图2为部分现场测试设备图片。

1 阀门
2 测温传感器
3 压力表
4 阀门5阀门6风冷热泵机组7 阀门
8 供水箱9 水泵10 阀门11 流量计12压力表13测温传感器14 阀门
图1 测试仪原理图
a）冷热水循环水箱b）测试连接管路
c）采集仪表
图2 部分现场测试设备
测试原理：
1）土壤初始温度测定
埋管结束后立即将管内充满清水，并进行封口，一个星期左右孔内回填料已经充分凝固，管内清水已跟大地充分换热，因此测试必须在埋管封口后至少间隔一个星期才能进行，测试开始打开循环水泵直接测试进、出口温度半个小时，以出口温度作为土壤平均温度。

2）土壤热物性（导热系数）测定
加热器以恒定热功率对水箱内的水加热，加热后的循环水以恒定的流量进入地下换热器的U型管，与周围土壤换热，加热器开始加热的同时开始计时，以一定时间间隔记录地下换热器U型管的出入口水温变化规律，并以其确定进出口水温平均值，采用线热源模型方法，通过曲线拟合求得土壤的导热系数。

计算过程如下：
根据以下公式：
()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=sur T b R b r a H Q t H Q
T f γπλπλ4ln 41ln 4 （1） 其中: f T 为平均温度(℃)；Q 为定加热功率（W ）；λ为导热系数
()/(K m W ⋅)；H 为有效孔深(m)；t 为测试持续的时间(s )；a 为热量扩散率(s m /2)；
b R 为导热热阻（)//(m W K ）
；γ为欧拉系数（0.5772）；b r 为孔的外径（m ）；sur T 为土壤的初始温度（℃）。

公式(1)可以简化为公式(2)
m t
k T f +=)l n ( （2） 当输入的热功率Q 恒定时，k 和m 是定值，
H
Q k πλ4= （3） ⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=sur T b R b r a H Q m γπλ4ln 41 （4） 根据公式(3)可以得出k 是导热系数的函数, 如公式（5）
H
4Q ⋅⋅=k πλ （5） 根据测试数据，利用软件可以得出加热状态下环路平均温度f T 对应时间t 变化的曲线图，根据这个曲线图可以再得出f T 对应)ln(t 变化的曲线图以及曲线的斜率，这个斜率即为公式(4)中的k 值。

公式(7)中Q 、H 已知，而k 值也已得出，故可以代入数据算出导热系数λ。

3）单位井深放和取热热能力的测定
通过恒温水箱调整加热器的功率，最终使循环水进口稳定在35℃（夏季工况）和7℃（冬季工况）左右，系统稳定后根据稳定状态的流量和进出口温度，可计算稳态条件下单位井深的放热和取热能力。

计算过程如下：
按照下面公式计算被测孔内地埋管的换热量：
)(1in out p t t V c Q -=ρ （6）
式中：Q 1是换热量（kW ）；V 是水体积流量（s m /3），由流量计11测得；
out t 是流出地下埋管的水温（℃）
，由测温传感器2测得；in t 是流进地下埋管的水温（℃），由测温传感器13测得；ρ是水的密度（3/m kg ）；p c 是水的比热（)/(K kg kJ ⋅），取值 4.1868。

单位孔深的换热量为：
H
Q q 1= （7） 其中，q 为单位孔深的换热量（m W /），H 为孔的深度（m ）。

3.4 测试方案
3.4.1 测试孔的定位
考虑到现场情况，并使测试孔能够代表工程地下换热情况，按照测试要求现场确定2个试验井的位置，测孔1和测孔2见图3示意。

试验台现场安装，装置现场整体见图4。

2个试验井埋管具体参数见表2。

图3 试验孔定位示意图
3.4.2 测试过程
测试过程主要包括三部分：首先测试地下土壤平均温度，然后模拟夏季和冬季工况，以确定地下埋管的换热能力及地下岩土的热物性（包括岩土体导热系数、比热容及钻孔热阻等），之后改变运行工况，测试不同流量地埋管阻力变化特性，
图4 测试装置现场安装图
为地源热泵系统的设计、优化及模拟计算提供依据。

具体步骤为：（1）确定好测试井后（先测试验井2，后测试验井1），连接U型管与地上测试装置循环水管道进出口，并用绝热材料做好外露管道绝热保护工作；
（2）在U型管中充满循环水，静止2天后认为循环水与周围土壤近似达到热平衡，此时测量并记录土壤初始温度；
（3）开启电源，根据取热和放热工况要求，分别开启风冷热泵机组或电加热器以及循环水泵，同时以一定时间间隔采集不同时刻的测量数据：地下换热器出入口水温、循环水流量、加热器加热功率、压力等；注意以下方面：
a) 岩土热响应试验应连续不间断，持续时间不宜少于48h；
b）试验期间，加热功率应保持恒定；
c）地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度高于岩土初始平均温度5o C 以上且维持时间不少于12h；
d）数据记录时间间隔不大于10分钟。

（4）试验测量结束时，先关闭加热器和风冷热泵机组，停止记录数据，然后才能关闭循环水泵电源；
（5）排干管道内的循环水，断开U型管与地上循环水管道的联结，并做好地下换热器U型管的保护工作，以防止被其它杂物堵塞。

对上述每种测试方案重复上述过程，得出对应各种方案的热响应结果。

供分析比较之用。

测试方案具体见表3。

整个测试过程（含试验孔成孔）从2014年6月8日--2014年6月28日，持续20天时间。