土壤热物性试验方案(文选)

热物性测试施工方案
一、编制依据及原则
1.1 编制依据
（1）现场勘探调查资料。

（2）主要的验收规范、规程：
《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）
《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2004）
《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2002）
1.2 编制范围
编制对象为：地源热泵系统测试及地埋管系统施工，该系统主要用于项目提供冷热源。

二、工程概况：
拟采用地源热泵空调系统为建筑提供制冷采暖。

由于土壤源热泵采用地下埋管换热器，使得土壤源热泵设计比空气源、水源热泵困难得多。

土壤源热泵不确定设计因素较多，土壤源热泵地下埋管换热器的设计是此项技术的难点及应用基础，因此本项目对土壤进行热物性测试，为土壤源热泵地下埋管换热器的设计提供指导及技术支持。

施工前需要进行岩土体热物性测试，以便设计单位对地埋管系统实际释热量、吸收量进行校核和对系统进行适当调整，减低综合导热系数的不确定性。

并在测试钻井过程中，了解地质分布情况，为以后施工机械及工期安排提供极具价值参考。

三、施工方案：
1.选点方案：
鉴于本项目占地面积较大，为使热物性测试数据更加精确，建议选取5个测试点。

分别分布于项目东西南北四角和项目中心点。

呈X 型排布。

2.钻孔方案：
2.1、地下埋管换热器的布置
确定打井数量及位置，初步设计埋管深度为80m，（如遇坚硬的无法克服的卵石和岩石，则修改打孔下管深度）孔间距为4.0--4.5m。

地埋换热管选用优质PE管，采用双U埋管，地埋管换热器公称压力不低于1.6Mpa。

采用并联同程敷设，主管路间的距离符合规范要求，距离不可以太近。

竖管换热器安装时必须在双U管间做好支撑，防止井内发生管间短路。

所有管路都按照规范做好水压试验，并做好管路的清洗。

2.2、地下埋管系统的施工
地下埋管是影响地源热泵换热效率的主要部分，其施工的工艺流程如下：
2.3地下埋管换热器的布置
根据甲方提供的设计图纸，确定打井数量及位置，井间距保证在4.0--4.5米。

2.4钻孔
施工前应了解埋管场地内已有的地下管线、地下构筑物的功能及其准确位置。

钻孔时保证钻杆的垂直以确保每个竖孔平行，防止窜孔。

2.5 管道连接
（1）本工程采用连接方式如下：
管道外径＜90，管道之间、管道与管件之间采用热熔承插连接。

管道外径＞90，管道之间、管道与管件之间采用热熔对接。

（2）管道系统安装除应符合国家相关技术规范的要求外，符合以下特别提示：
a．热熔承插连接应符合下列规定：
管材、管件连接面上的污物应用洁净棉布擦净。

加热工具加热完毕，待连接件迅速脱离加热工具，检查加热面熔化的均匀性和是否有损伤，用均匀外力将管插入承口内。

b.热熔对接应符合下列规定：
待接管道应伸出焊机夹具一定自由长度，使其在同一轴线上，错边不宜大于壁厚的10%。

管道连接面上的污物应使用洁净棉布擦净，并铣削连接面，使其与轴线垂直。

连接面加热后要检查熔化的均匀性和是否有利操作，然后用均匀外力使连接完全接触，形成均匀一致的凸缘。

管道连接后应及时检查接头外观质量。

2.6下管工艺
用机械钻杆带管下沉到底部
管道连接前和连接后管口部位应进行封闭保护，防止杂物进入管中。

施工中不得损伤管材，表面不得有明显划痕。

2.7 水压试验、冲洗
水平管路试验压力为0.6Mpa，管路加压至试验压力30分钟期间如有压力下降可注水补压。

检查管道接口，配件处有无渗漏现象。

当有渗漏现象时应终止试压，并查明原因采取相应措施后重新组织试压。

管道试压应满足相关验收规范。

地埋管道系统应进行冲洗，冲洗用水应清洁，冲洗水的排放水与进水的浊度相一致为止。

2.8管道沟槽回填
管道敷设后进行回填，回填材料采用原浆。

管道敷设后经水压试验合格后再进行回填。

回填时管道中充满水。

回填时应先填实管底，再同时回填管道两侧，然后再回填至管顶0.5m 处，沟内有积水时，必须全部排尽后再行回填。

管顶0.5m内的回填土，不得含有碎石、砖块、垃圾等杂物，不得用冻土回填。

3 施工条件和环境
（1）施工基本条件：
施工现场作业场地平整，具备不低于30KW的动力电源和不低于8立方米/小时流量24小时不间断的水源并将水电源引至施工现场。

测试孔位置可以根据施工现场实际情况适度调整。

测试系统简介
1测试仪原理
1.1理论依据
根据热量公式：
其中，热量，质量；得:。

(1)
c：流体的比热系数。

t：测试时间。

式中，P即为测试仪所测得此地埋管的换热功率值。

如果P值为正数，即为此地埋管的吸热功率，如果P值为负数，即为此地埋管的放热功率。

1.2测试方法
现场测试法主要是模拟地源热泵系统的运行工况，对实验井进行吸热和放热测试。

并通过分析供回水温度、流量、瞬时热量等数据，计算现场地质条件下的综合热物性参数，为地源热泵系统的设计、优化和模拟提供依据。

放热实验是模拟夏天的空调运行工况。

在夏天，地源热泵以地下土壤作为冷源，通过埋设的地埋管换热器向地下土壤层散发热量。

测量地埋管在夏天的放热功率，就是根据空调运行所对应的冷凝温度，制成一定温度的热水，通过循环水泵使热水在埋设的PE管中以一定的速度流动。

热水的温度高于地下土壤的温度，在PE管的流动过程中，向土壤里散发热量，温度降低。

地埋管的放热实验就是根据
循环水在PE管地埋管中流动过程中向土壤中散发的热量，来确定该地埋管释放热量的能力。

吸热实验是模拟冬天的空调运行工况。

在冬天，地源热泵以地下土壤作为热源，通过埋设的地埋管换热器从地下土壤层提取热量。

测量地埋管在冬天的吸热功率，就是根据空调运行所对应的蒸发温度，制成一定温度的冷水，通过循环水泵使冷水在埋设的PE管中以一定的速度流动。

冷水的温度低于地下土壤的温度，在PE管的流动过程中，从土壤里提取热量，温度升高。

地埋管的吸热实验就是根据循环水在PE管地埋管中流动过程中从土壤中提取的热量，来确定该地埋管提取热量的能力。

2测试仪简介
2.1测试仪主要硬件结构
地埋管热物性试验仪，主要由变频空调机组、变频水泵、高精度热量表以及相应监测控制系统构成。

测试仪主要硬件结构如图1所示。

图1 测试仪主要硬件结构图
为了确保实验结果的准确性，在实验前对温度传感器和流量传感器进行了标定和校正。

a、对温度传感器的校正
对实验台的所有PT1000温度传感器进行了校正实验，采用恒温水浴温度。

以精确度0.051℃的精密水银温度计为基准，校正的温度区间为0～30℃，覆盖传热实验的整个温度区间。

b、对流量传感计的校正
在保证实验台供水扬程稳定的情况下，对实验台使用的涡轮流量传感器进行了校正实验，采用称重法和体积法两种方法，与数据采集进行对比，实验发现，在0.57-0.79m³/h的流量时，该实验台使用的流量计的误差小于1％。

2.2测试仪软件系统介绍
测试仪采用自主研发的软件系统。

利用能量守恒原理，采用Fuzzy-PID控制方法，根据实际水温和设定水温通过模糊规则进行推理和决策，在线整定PID控制器的3个参数，实现对变频空调机组的运行控制，以保证对地埋管中水温的自动控制。

同时根据设定流量和实际流量的闭环控制实现流量的精确自动调节。

闭环控制结构图如图2所示。

图2闭环控制结构框图
软件系统每60秒采集一组地埋管数据并实时显示，同时，将数据自动保存到数据库中，用于对本地埋管进行综合分析的依据。

测试系统软件双U单元测试界面如图3所示。

图3 双U地埋管测试主界面
3实验前的准备工作
3.1打孔
在项目所在场所内进行试验孔的垂直钻探。

孔径在230mm—240mm 之间，深度为80米，每打10米进行一次参数记录。

3.2下管
在打孔结束时马上进行下管，将地埋管垂直插到孔中，以免空中坍塌下管困难，必须保证下管深度达到80米。

3.3回填
采用的是原物回填形式，将钻孔过程中从孔中提取出来的物料再回填到空中，这样可以保证测试仪测得的本项目所在场所的土壤换热率不受外界因素的影响。

试验孔参数如表1所示。

表1试验孔参数
4测试步骤
本实验在温差、流量基本保持稳定或以一定规律变化的情况下，测试了地埋管进出口水温的变化数据及瞬时换热量，实验前、后的土壤温度，并消除了水平段连接管道的传热影响，实验具体结果如下。

4.1管路连接
因本项目采用双U型地埋管测试，因此，将孔中的两根地埋管的两端分别用三通连接，然后，将两个三通的中间端口用软管连接到测试仪的供回水管上，这样，两根U型管就和测试仪连接起来了。

为了避免外界因素对测试精度的影响，连管过程中应注意以下几点：
a地埋管的接头到测试仪的水管接头中间的各个连接点保证连接紧密、不能漏水，避免连接管路出现硬弯，否则会影响水流的顺畅流动，甚至会造成水压过大而爆管的危险。

b测试仪与被测地埋管之间的管路连接越近越好，最好小于两米，对连接管进行保温处理，以避免连接管路与空气之间的热传导对测试精度造成影响。

c 给测试仪的注水口给测试系统的管路注水，保证循环系统中为满水状态，并保持一定压力，尤其不能是循环系统中存在气泡，否则会影响测试结果的准确性。

4.2原始温度测试
在地埋管与测试仪连接等准备工作完成之后，给测试仪连接上单项工频220V 交流电源，此时，测试仪和变频空调机组均处于带电状态。

开始进行土壤的初始温度测试。

通过测试仪的启动水泵按钮，使水泵在不加载的条件下进行运转，使供水水温与回水水温达到动态平衡状态，此时地埋管中的水温基本接近土壤的温度，可以看作是土壤的初始温度，作为计算地埋管换热量和土壤导热系数的依据。