长沙万国城MOMA第三期地热性能测试报告.doc

长沙万国城MOMA第三期 岩土体导热性能测试报告

长沙万国城MOMA第三期
地源热泵地埋管系统地源热泵工程
岩土体导热性能测试报告

测试单位：
报告时间： 2011．4．20

一、工程概况：
本工程为长沙万国城MOMA第三期地源热泵中央空调工程，位于浏阳河边上，已基本回填平整，地貌比较单一，浅层地下水系发育。该工程拟建场地埋管区域宽裕，具备地埋管地源热泵系统的条件。
空调系统拟采用目前国际先进、节能高效、绿色环保的中央空调系统——土壤源热泵系统作为建筑物的冷热源来源；地源热泵设计前的基础资料的测试和收集对整个项目的成功起着至关重要的作用，尤其是准确的测试地热性能参数对换热器系统的设计和安装起着直接的指导作用，但这种测试靠常规的地质勘察是无法实现的，必须用专门的仪器和软件做换热测试实验。为了确切掌握地源井的具体换热量，为项目设计提供设计依据，湖南凌天科技有限公司受建设方的委托，在该区域钻了测试井，采用专门的仪器和软件做了岩土体换热测试实验。
湖南凌天科技有限公司在该项目拟建地埋管场地打了十一口井，由东到西，依次命名为1#——11#井，其中的2#、5#、8#等3口井，使用百米钻打井，并进行了120米的岩土体热物性测试：
钻井时间：2011年 3月15日～4月1日
埋管回填：2011年 3月23日～4月 2日
测试时间： 2011年 3月 24日～4月 8日
同时，使用潜孔钻在该场地打了1#、3#、4#、6#、7#、9#、10#、11#等8口观察井，同样进行了埋管回填，根据合同要求，未进行岩土体热物性测试。

二、测试试验台概述
测试试验台使用湖南凌天科技有限公司自行研发的车载测试系统，采用电热水箱作为测试的热源，试验台通过连接管道与地埋管构成一个完整的循环系统。测试机组的额定制热量为10KW，可以根据地埋管的输入温度的具体情况调节输入功率，使用恒功率输入法进行测试。
温度传感器采用A级PT100型铂电阻传感器，测试数据线都是使用铜网屏蔽电缆，为了保证测试精度，在试验之前和试验之后，都进行了温度传感器的校正与标定，对所有温度传感器进行实验室校正，在恒温水浴中，用精密的水银温度计作为标准温度读数，在测试的整个温度区间（0℃ - 40℃）上，对PT100温度传感器进行校正，获得每个温度传感器校正误差数组，测试结束后通过再次标定，把温度测量的误差控制在 ±0.15℃以内。

地埋管耐压测试仪 地埋管耐压测试表、阀

远传温度传感器 高精度温度传感器 测试用稳压电源

铠装式PT100温度传感器

流量传感器采用等级为0.5%的高精度电磁流量传感器自动记录，同时，在系统中增加了一个机械水表，测试人员每隔一个小时记录一次水表流量，通过人工记录的流量数据和自动记录的流量数据进行对比分析，确保自动记录数据的准确性。在数据采集和控制系统中，硬件系统是采用电脑和16通道的无纸记录仪来进行温度和流量数据的采集，软件系统采用美国国家仪表局(NI)研发的Labview软件来进行数据的记录和保存，每隔5s扫描一次所有传感器并保存数据。

KH300记录仪
为了确实保证地埋管不漏水，在下管前和下管后，都对地埋管进行了2小时的水压耐压测试，稳压后压力降不大于3%，符合测试标准要求。
在数据采集系统过程中，通过拟合流量计输出曲线的方法，保证在试验中的综合实际测量误差低于0.5%。在本系统的测试期间，对电器部件对流量计传感器的信号干扰问题，采取了多项技术措施进行屏蔽，其中包括在试验台附件构造现场地线的方法，有效地控制了干扰信号。
用于测试的计算机与NI的控制模块与数据采集模块之间的采用Ethernet高速通信线路连接，计算机与PT100温度传感器之间的信号传输采用多重屏蔽技术，尽量排除所受的干扰，保证测试精度。

三、钻孔和地埋管的测试
根据《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)的要求，本次测试对该区域的测试井进行了测试试验，原合同要求，机械打井埋管深度为80米，后根据甲方的要求，采用机械钻井122米深，钻孔直径为150MM，双U 25换热管，实际下管深度为120米，井的回填材料采用原浆细砂混合回填。
湖南凌天科技有限公司于2011年3月 14 日正式进入施工现场进行测试，2011年 3月 15日开始钻井，2011年 3月 23日完成8#井的钻井工作，2011年 3月 23日下管并回填，直至 4月 2 日全部完成2#、5#、8#井的打井埋管回填工作。静置数天后，我们于3月24日开始正式进入测试阶段,对测试井进行测试，由于测试期间，正逢下雨，测试场地很厚的泥泞，测试车无法进入测试现场，只好将测试设备分散，使用人力将设备搬运至测试井进行测试，直至2011年 4月 8日才完成测试工作。
以下是部分施工现场的照片。

观测井示意图

百米钻打井现场照片

潜孔钻打井现场照片
现场下管照片

测试现场照片
HDPE管采用伟星管业PE100高密度聚乙烯管，外径为25 mm，承压1.6MPa，地面以上的水平管全部采用橡塑保温层进行保温，地埋管内循环介质采用清洁水为介质。测试前后都对地面上的温度传感器和流量传感器进行了校正。
在测试井中埋设PT100铠装热敏铂电阻，使用防干扰的屏蔽数据线连接，测试前进行了校核。
测得该区域的原始地温：2#井的平均地温19.7度， 5#井的平均地温19.7度， 8#井的平均地温19.8度。

四、测试井及地质情况
2#井，井深122米，实际下管深度120米，井径155毫米，双U25，总管流量1.15立方米/小时；地下水量丰富。
5#井，井深122米，实际下管深度118米，井径155毫米，双U25，总管流量1.15立方米/小时；地下水量丰富。
8#井，井深122米，实际下管深度120米，井径155毫米，双U25，总管流量1.15立方米/小时。地下水量较少。
2号井说明
2号井的0~5米填充的回填土，钻孔期间出现塌方现象；钻孔超过5米后出现粘土，5~ 10米，粘土含水量少。钻孔超过10米后出现大量的砂卵石，砂卵石含水，且含水量比较大。钻孔出现严重的塌方需下套管阻止塌方。套管下到22米后无塌方现象，停止下套管。20米后出现红岩土，土质比较软，但含大量的砂子，需淘砂，并且含水，含水量比较少。超过28米直到50米间，出红砂岩，岩层中夹杂着砂卵石，岩层不硬。50~80米，弱分化红砂岩开始慢慢变硬，岩层带砂性，但是不夹杂卵石。80~122米为未分化红砂岩，岩心夹杂砂卵石，岩层变的十分硬。

2号井部分岩心

2号井岩土层情况

深度

单位

岩土层

备注

0~5

米

回填土

少许塌方

5~10

米

粘土

含少量水

10~20

米

砂卵石

塌方、含大量水

20~28

米

软红岩土

砂性比较重、含少量水

28~50

米

红砂岩

岩层带砂卵性、含水量不大

50~80

米

弱分化红砂岩

岩石变硬、岩层带砂性

80~122

米

未分化红砂岩
岩层带砂卵性、红岩十分硬，含水量较大

5号井说明
5号井前0~5米填充的回填土钻孔期间出现塌方现象、钻孔超过5米后出现粘土到12米。粘土层含少量的水，钻孔超过12米后出现大量的砂卵石，钻孔出现严重的塌方需下套管阻止塌方。砂卵石层含大量的水。套管下到20米后无塌方现象，停止下套管。20米后出现红岩土，土质比较软，但含大量的砂子，需淘砂直到35米。35米到45米，出现红砂岩，岩层中夹杂着砂卵石，岩层不硬。45米到60米的岩层带砂性，但是不夹杂卵石，岩石硬。60米到85米，岩石变为红岩不带砂性，岩层变的十分硬、但是岩石含少量的水。85米到122米的未分化红砂岩十分硬、含水量较少，岩心夹杂砂卵石。

5号井部分岩心

5号井岩土层情况

深度

单位

岩土层

备注

0~5

米

回填土

塌方

5~12

米

粘土

含少量水

12~20

米

砂卵石

塌方需下套管、含大量水

20~35

米

软红岩土

砂性比较重。含少量水

35~45

米

红砂岩

岩层带砂卵性

45~80

米

弱分化红砂岩

岩石变硬、岩层带砂性

85~122

米

未分化红砂岩

红砂岩十分硬、

8号井说明
8号井前1~6米填充的回填土钻孔期间出现塌方现象、钻孔超过6米后出现粘土，到15米，粘土含少量水。钻孔超过15米后出现大量的砂卵石，砂卵石层含大量的水，钻孔出现严重的塌方需下套管阻止塌方。套管下到24米后塌方现象，停止下套管。24米后出现红岩土，土质比较软，但含大量的砂子，需淘砂，含少量的水。超过40米后，出现分化红砂岩，岩层中夹杂着砂卵石，岩层不硬。到达60米到100米，弱分化红砂岩石开始慢慢变硬，岩层带砂性，但是不夹杂卵石。100~122米岩石为未分化红砂岩，岩层变的十分硬，岩心夹杂砂卵石。

8号井部分岩心

8号井岩土层情况

深度

单位

岩土层

备注

0~6

米

回填土

塌方

6~15

米

粘土

含少量水

15~24

米

砂卵石

塌方需下套管，含大量水

24~40

米

软红岩土

砂性比较重，含少量水

40~60

米

分化红砂岩

岩层带砂卵性

60~100

米

弱分化红砂岩

岩石变硬、岩层带砂性

100~122

米

未分化红砂岩

岩层带砂卵性、红砂岩十分硬，含少量水

五、数据分析结果
2#井测试计算结果：
水流量：1.15 m3/h
土壤导热系数：3.51 W/(m·°C)
钻孔热阻：0.055 (m·°C) /W
土壤初始地温：19.7 °C
图1为地埋管进出水温度的示意图。图2为地埋管出口水温的计算值和测试值的对比。

图1 地埋管进出水温度示意图

图2 地埋管出口水温计算值与测试值的对比

5#井测试计算结果：
水流量：1.15 m3/h
土壤导热系数：3.40 W/(m·°C)
钻孔热阻：0.06 (m·°C) /W
土壤初始地温：19.7°C
图3为地埋管进出水温度的示意图。图4为地埋管出口水温的计算值和测试值的对比。

图3 地埋管进出水温度示意图

图4 地埋管出口水温计算值与测试值的对比

8#井测试计算结果：
水流量：1.15 m3/h
土壤导热系数：2.95 W/(m·°C)
钻孔热阻：0.065 (m·°C) /W
土壤初始地温：19.8°C
图5为地埋管进出水温度的示意图。图6为地埋管出口水温的计算值和测试值的对比。

图5 地埋管进出水温度示意图

图6 地埋管出口水温计算值与测试值的对比

单位换热量分析
利用上文所求得的土壤导热系数、钻孔热阻和初始地温，采用《规范》中提到的TRNSYS软件可以分别得到钻孔在放热工况和吸热工况下单位延米换热量。
2#井计算结果：
在放热工况下，当地埋管进水温度为35°C时，单位延米换热量为66.1 W/m。
在吸热工况下，当地埋管进水温度为7°C时，单位延米换热量为54.9 W/m。
5#井计算结果：
在放热工况下，当地埋管进水温度为35°C时，单位延米换热量为65.8 W/m。
在吸热工况下，当地埋管进水温度为7°C时，单位延米换热量为54.6 W/m。
8#井计算结果：
在放热工况下，当地埋管进水温度为35°C时，单位延米换热量为62.0 W/m。
在吸热工况下，当地埋管进水温度为7°C时，单位延米换热量为52.2 W/m。
测试井在放热工况和吸热工况下的单位延米换热量

布管
形式
土壤导热
系数W/(m•°C)
钻孔热阻
(m•°C) /W
放热工况
(地埋管进水温度35°C) W/m
吸热工况
(地埋管进水温度为7°C) W/m
2#测试井
双U25
3.51
0.055
66.1
54.9
5#测试井
双U25
3.40
0.06
65.8
54.6
8#测试井
双U25
2.95
0.065
62.0
52.2
算术平均值
双U25

64.6
53.9

六、地热换热器埋设建议
1）建筑区域内岩土体层分布相似，但各层的厚度相差较远，在回填层以下，主要以不同分化程度的红砂岩层和粘土层为主，岩土体导热系数较高，换热能力较强，适合使用地埋管换热器。
2）在粘土和红砂岩之间夹杂的8-10米厚的砂卵石层是主要的含水层，80-90米以下亦有一个含水层，30-60米含水量较少，将两个含水层分隔开来。底层含水量呈现明显的东边多西边少的趋势，地下径流方向及大小均未进行检测。
3）设计参考数据：根据2#、5#和8#井的分析数据，夏季排热为每延米井深的换热量为64.6 W/M；冬季吸热每延米井深的换热量为53.9 W/M。
4）根据该区域土层结构特点，为提高换热井的经济性和机组的运行效率，保障适当的进回水温差，建议埋管孔深120米，地热井口径φ155, 钻井采用机械钻井，机械与人工结合下管，回填料建议采用沙：原浆：膨润土 = 8：1：1的比例混合回填，以保证回填效果。
5）设计宜采用双U DN25 的PE管并联，单根换热PE管内流量宜采用0.54 m3/h-0.73 m3/h，保证换热管内的循环水处于紊流状态。

现场测试：李 明

蒋 文

数据分析：李 明

审 核：黄若文

批 准：李 红

湖南凌天科技有限公司
2011.4.20

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