上饶三清山机场航站楼地源热泵系统场区地埋管测试.docx
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上饶三清山机场航站楼地源热泵系统场区地埋管测试
一、项目来源
上饶三清山机场航站楼规划建筑物的占地面积为147.50×45.00m，，总应用建筑面积13275.00m2。
，坐落于上饶市信州区南面，与市中区直线距离约8km，行政上属上饶市茅家岭乡、尊桥乡管辖，土地未征用之前权属归后门塘塔水村徐家、夏家和上黄坞等自然村所有。
有乡村公路与上饶市信州区城区相连接，交通较为便利。
拟建场区
图1.上饶三清山机场航站楼地理位置示意图
为进一步优化能源结构，促进多能互补及城市可持续发展，提高能源利用效率，上饶三清山机场航站楼拟采用地源热泵系统为建筑提供冷、热源，通过与末端系统相结合为建筑冬季供暖、夏季供冷。
地源热泵系统设计的一个重点就是地埋管换热器设计，一旦地埋管换热器设计不好，很容易造成系统工作效率下降，甚至导致热泵主机无法正常工作，或者地埋管系统设计过大，浪费初投资，不同的回填料、埋管方式对换热都有影响。
为充分了解该项目区域内地层热物性参数、测试孔的换热能力，以便为地源热泵空调系统设计提供依据，上饶三清山机场有限公司委托中材地质工程勘查研究院有限公司在项目区域内进行地埋管换热能力测试工作。
二、编制依据
（1）《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）
（2）《水文测井工作规范》（DZ/T0181—1997）
（3）《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版）
（4）《建筑工程地质勘探与取样技术规程》（JGJ/T87-2012）
（5）《浅层地热能勘查评价技术规范》（DZ/T0225-2009）
（6）《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）
（7）《给水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13663-2000）
（8）《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2004）
（9）《岩土工程基本术语标准》（GB/T50279-98）
（10）《土的分类标准》（GB145-90）
（11）《工程岩体分级标准》（GB50218-94）
（12）《原状土取样技术标准》（JGJ89-92）
三、实施过程
3.1勘察方法
据勘察任务书以及相关规范要求，在收集临近场地工程地质资料的基础上，我院编制了“上饶三清山机场航站楼地源热泵系统场区地埋管”勘察方案，布置了相应的勘察工作量。
本次勘察采用了钻探、室内岩、土、水测试分析及现场孔内温度测试等手段。
具体如下：
1、钻探
（1）钻孔平面布置及深度控制：
根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）6.2.2表3确定，详见表1。
表1探槽及勘查孔工作量
埋管方式
工程热负荷q/kw
探槽、勘查孔数量
水平
Q＜25
1（探槽）
Q≥25
2（探槽）
竖直
Q＜250
1（孔）
250≤Q＜1000
1～2（孔）
1000≤q＜2000
2～3（孔）
Q≥2000
≥3（孔）
注：
工程热负荷取冷、热负荷中较大值。
本工程场地测试孔数量甲方布置，共布置测试孔2个，钻孔平面位置详见附图1“测试点平面位置示意图”。
勘查孔深度宜比预计的埋管深度深5m。
（2）钻探工艺：
第四系松散层采用冲击跟管钻进，基岩采用回转钻进。
土层钻探回次进尺控制在1.00m以内；岩层钻探回次进尺控制在2.00m以内。
为满足样品采集的需要及下管要求，单U钻孔不宜小于130mm，双U孔口径不宜小于150mm。
2、完成工作量
为圆满完成本次勘察任务，我院精心组织了施工。
野外作业始于2013年5月25日，至2013年7月12日结束，完成实物工作量见表2。
项目
钻探
单U现场热响应试验
双U现场热响应试验
测温探头
总进尺
单位
米/孔
台班
台班
个
工作量
201/2
21
18
20
表2完成实物工作量表
3.2测试孔测试
测试孔测试工作于2013年6月12日开始，2013年7月12日结束，历时30天，测试孔测试过程见表3。
表3测试孔测试过程进度表
类型
时间
工作内容
备注
双U
2013年6月12日
测试孔地层平均初始温度测试
地埋管水温平衡法
2013年6月13日~15日
测试孔稳定热流测试
2013年6月15日
测试孔回复温度测试
地埋管水温平衡法
2013年6月17日~19日
测试孔稳定热流测试
单U
2013年7月6日
测试孔地层平均初始温度测试
地埋管水温平衡法
2013年7月7日~9日
测试孔稳定热流测试
2013年7月10日
测试孔回复温度测试
地埋管水温平衡法
2013年7月10日~12日
测试孔稳定热流测试
图2.单U测试孔换热测试
图3.双U测试孔换热测试
3.3室内工作
现场测试工作完成后，2013年7月12日~7月16日进行数据处理和编制测试报告。
四、测试设备
测试设备采用北京华清荣昊新能源开发有限责任公司开发的浅层地热能热响应测试仪，该测试仪功能齐全、测试精确度高以及移动性好，在国内、国际都处于领先。
测试仪可完成岩土体热物性测试、稳定热流热响应测试、岩土体平均初始温度测试以及岩土体温度的恢复测试等测试工作，另外该试验台可进行多孔的联合换热测试及热干扰测试。
浅层地热能冷、热响应测试仪的传感器均选用高精度传感器，流量计精度等级为0.5级、量程0~3m3/h的电磁流量计，温度传感器为精度A级、量程0～50℃的Pt1000铂电阻，经计算测试系统整体最大测试误差为±3.5%。
浅层地热能热冷响应测试仪已经申请国家发明和实用新型专利（专利号：
ZL200720195960.3），图4为浅层地热能热响应测试仪、图5为热响应测试仪现场测试。
图4.浅层地热能热响应测试仪
图5热响应测试仪现场测试
五、地层岩性
根据区域地质调查和测试孔岩屑录井，获得项目区冲沟地段第四系厚度约6米，为残坡积地层，岩性为粉质粘土，下伏基岩，100以内地层岩性见附图2—1及附图2—2。
六、测试数据分析
6.1岩土平均初始温度测试
地埋管水温平衡法是测试孔安装完成后在PE管内充满水，足够时间后，PE管内的水与岩土体的温度达到平衡，此时通过水泵循环将地埋管换热器内的水泵出，同时监测水温的变化，从而分析岩土体的温度。
双U测试孔：
岩土初始平均温度采用地埋管水温平衡法，测试孔岩土初始平均温度测试时间为2013年6月13日11:
00:
00~11:
40:
00，历时40分00秒，根据测试结果显示，从0m到100m地层的温度对应的时间段是11:
05:
00到11:
12:
00，地埋管内的水温变化范围为21.8～22.5℃，对该时间段内的测试数据进行算术平均为22.15℃，即岩土体平均初始温度为22.2℃。
单U测试孔：
岩土初始平均温度采用地埋管水温平衡法，测试孔岩土初始平均温度测试时间为2013年7月6日10:
04:
42~10:
18:
48，历时14分06秒，图6（a）为2#测试孔地层初始平均温度测试曲线。
从曲线可以看出，从0m到100m地层的温度对应的时间段是10:
04:
42至10:
08:
51，地埋管内的水温变化范围为18.6～20.5℃，对该时间段内的测试数据进行算术平均为20.07，即岩土体平均初始温度为20.07℃。
（见图6）。
a.单U测试孔（左）b.双U测试孔（右）
图6地层平均初始温度测试曲线
6.2单U稳定热流测试
稳定热流模拟试验是通过试验台向地埋管换热器提供恒定热流，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据，对数据分析处理计算后得到岩土体的平均导热系数。
单U测试孔稳定热流测试中，测试设定加热功率6kW，测试时间2013年7月6日14:
44~2013年7月9日14:
44，历时48小时；9KW，测试时间2013年7月10日14:
44~2013年7月12日14:
44，历时48小时，流量为1.4m3/h（见图7、8）。
图7.单U测试孔稳定热流测试电热热功率及流量曲线（6KW）
图8.单U测试孔稳定热流测试电热热功率及流量曲线（9KW）
图9.单U测试孔稳定热流测试地埋管换热器进出水平均温度及对数拟合曲线（6KW）
图10.单U测试孔稳定热流测试地埋管换热器进出水平均温度及对数拟合曲线（9KW）
6.3双U稳定热流测试
稳定热流模拟试验是通过试验台向地埋管换热器提供恒定热流，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据，对数据分析处理计算后得到岩土体的平均导热系数。
双U测试孔稳定热流测试中，6KW测试时间2013年6月17日16:
00~2013年6月19日16:
00，历时48小时；9KW测试时间2013年6月13日12:
00~2013年6月15日14:
43，历时48小时43分钟，流量1.4m3/h（见图11、12）。
图11.双U测试孔稳定热流测试电热热功率及流量曲线（6KW）
图12.双U测试孔稳定热流测试电热热功率及流量曲线（9KW）
图13.双U测试孔稳定热流测试地埋管换热器进出水平均温度及对数拟合曲线（6KW）
图14.双U测试孔稳定热流测试地埋管换热器进出水平均温度及对数拟合曲线（9KW）
IGSHPA线源模型是目前普遍采用的地埋管换热器计算模型，其表达式为：
（1）
式中：
——随时间变化的地埋管换热器进出水平均温度，℃；
——单位延米地埋管测试孔换热量，W/m；
——岩土体导热系数，W/m·K；
——岩土体导温系数，m2/s；
——钻孔半径，m；
——常数，0.5772；
——钻孔内热阻，m·K/W；
——地层初始温度，℃。
根据上式可推导利用恒热流模拟试验数据计算岩土体导热系数的公式和方法，
（2）
（3）
将恒热流模拟试验的试验数据做成曲线图，并将其拟合为式2的形式，通过曲线拟合结果可计算系数k，将k代入式
（2）可计算岩土体导热系数
。
根据曲线拟合结果，单U系数k=2.2905（6kw）~2.3.0518（9kw），将k带入式（3）计算岩土体导热系数
为1.99~2.06W/m·K;双U系数k=2.3814（6KW）~2.8244（9kw），将k带入式（3）计算岩土体导热系数
为2.05~2.28W/m·K。
七结论及建议
7.1结论
1、项目区第四系最大厚度约6米，为残坡积地层，岩性为粉质粘土层，下伏基岩，地层可钻性一般。
2、测试数据结论
（1）项目区100米以浅地层平均初始温度为20.34℃；150米以浅地层平均初始温度为20.07—21.4℃。
（2）单U岩土体导热系数
为1.99~2.06W/m·K;双U岩土体导热系数
为2.05~2.28W/m·K。
综上所述，项目地的岩土导热系数较高，实测的地埋管换热器换热能力很好。
7.2建议
系统建成启动后，测试孔区域地层温度会发生变化，对周围地层的温度场会产生影响，为了系统运行的安全和稳定，建议设置1~2个地质环境观测孔，记录测试孔区域及周围地层温度场的变化情况。
系统运行过程中，管理人员应做好机组运行记录，并随时注意观测地质环境监测孔内的温度变化情况。
附录术语定义
浅层地热能：
从地表向下到达一定深度（常温层），一般为30米左右，其温度就不受外界气温的变化而改变。
常温层与外界气温间之差存在的能量就叫做浅层地温能。
浅
岩土平均初始温度：
浅层地温能应用范围内延着深度方向的岩土平均温度称为岩土平均初始温度。
地埋管测试孔：
钻凿测试孔、下入PE管并回填后包括测试孔、HDPE管、回填料及周围换热作用范围内的岩土在内的单个系统称为地埋管测试孔。
地埋管换热系统：
一个或多个地埋管测试孔用横连管连接后组成的系统称为地埋管换热系统。
夏季地埋管测试孔吸热：
夏季运行时，对于地埋管测试孔，其状态是吸热；对于热泵机组，其状态是排热；而测试的主体是地埋管测试孔，因此，无论吸热、排热或者冬季、夏季运行工况都是针对地埋管测试孔而言。
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