长沙智谷智慧综合能源工程地源热泵岩土热响应试验报告及附图

二○二二年三月长沙NK00801-G0101-01 长沙智谷智慧综合能源工程可行性研新建究阶段岩土工程部分第1卷第1册 地源热泵岩土热响应试验报告中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司工程勘察资质证书：工程勘察综合类综合甲级B143003248工程咨询单位甲级资信证书：914301001838609344-18ZYJ18批审批审校编1前言 11.1背景 11.2项目概况 11.3水文气象条件 21.4场地工程地质条件 31.5工作内容 61.6工作依据 62测试原理 72.1测试基本理论 72.2测试仪器 92.3测试方法 103现场测试 12 3.2钻孔设计 13 4室内岩土热物性测试 274.1测试原理 274.2测试过程 29 5结论与建议 33附件名称附件编号测试工作照片1测试孔地质柱状图211前言1.1背景地埋管分项投资通常占整个地源热泵系统初投资的1/2~1/3，科学域地质综合热物性复杂，地层岩性和地统运行效率降低甚而增加初投资。因此测试，在场地进行原1.2项目概况，北接管地源热泵系统。有限公司对本项目热响应试验。2图1长沙智谷智慧综合能源工程地理位置及测试点分布图1.3水文气象条件(1)气象长沙属亚热带季风湿润气候区，气候温暖潮湿。春夏多雨，秋冬干，而夏季比同纬度地3。(2)水文区内主要河流为沩水、梅溪湖等主要水域以及尖山湖、龙王港等小游左岸一级支流，发源于宁乡县扶王山，流向大致自西向东流，于望城县新康汇入湘江。控制流域面积0余亩。此外，通过搜集区内钻孔资料，场地地下水位埋深15~40m。1.4场地工程地质条件区附近的区域构造主要为莲花桥—望城坡断裂带，由F18—F25等规模不等的断层所组成，基本上均分布在F22号断层两侧，总体上呈北东50-60度方向展布，延伸长1.5km不等，切割板溪群、泥盆纪—石炭纪目相关的主要为荣湾镇—的挤压破碎带，见有硅化、片理化及构造透镜体，断面呈波状弯曲，向4以上。场地内分布的地层主要有素填土层、植物层、第四系新近冲积层、砂岩等。按从上至下(1)素填土(Q4ml)①(①为地层编号，下同)：褐、黄褐、灰褐成，其硬杂质以砼块及岩块为主，硬杂质块径一般2-15cm，最大粒Qpd植物根茎组成，湿~很湿，软可塑状态。软塑状态；切面稍等，摇震无反应。(4)第四系全新世冲积(Q4al)粉质黏土④：灰褐、黄褐等色，夹为主，棱角状，粒径大小不均，一般为1-3cm，湿，可塑~硬塑状态；干强度及韧性中等，摇震无反应。(5)第四系晚更新世冲积(Q3al)粉质黏土⑤：褐红、褐黄色夹灰白色条纹，具网状结构，稍湿，硬塑~坚硬状态。切面光滑具光泽，其摇震无反应。5中等，摇震无反(7)元古界(Pt)板岩：为下伏基岩，黄褐、灰黄、红褐、紫红、为主，变余结构，板勘探深度内，按其风全风化、强风化及中风化三带：1)全风化板岩⑦：黄褐、紫红色，红褐色，稍湿，呈硬塑~坚硬状石英脉充填，偶夹中风易沿节理裂隙面断开，手可折断。岩芯采取率为70%~90%，岩体极破见石英脉充填，岩体破少量长柱状。岩芯采取为Ⅴ级。充填，岩体完6场地部分钻孔中均遇见地下水，地下水类型主要为上层滞水。上层及生活用水补给，其水填土①、植物层②含水本场地属中亚热带湿润季风气候区，降雨量大于蒸发量，其中大气降雨是本区地下水的主要补给来源之一，每年5~9月份为雨季，大气降水丰沛，是地下水的补给期，其水位会明显上升；而每年10月至次接1.5工作内容性及可钻性，，为本工程设计要内容有：(1)测试孔施工：钻孔，下管以及回填；(2)钻孔编录，取样及取芯样品热物性测试；(3)钻孔点测温，测试钻孔初始温度剖面；(4)原位热响应测试，包括岩土初始平均温度、温度测试、流量(5)数据分析及编制报告。1.6工作依据循的主要技术标准包括：7(2)《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366—2005)(2009T2测试原理2.1测试基本理论一般国内外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模均匀；②地埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热强度维持恒定实现)。地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外热容量均很小，可以很快埋管与钻孔内的换热过程流程不断变化，循环水平孔外可视为无限大空间，是线热源或柱热源在无限8在定加热功率的条件下：IGSHPA线源模型是目前普遍采用的岩土体平均导热系数的计算模(1)(1)ql——单位延米地埋管换热器换热功率，W/m；r——钻孔半径，m；y——常数，0.5772；Rb——钻孔内热阻，m·K/W；T——岩土初始平均温度，℃。根据上式可推导利用稳定热流测试数据计算岩土体导热系数的公(2)(3)(4)稳态传热(t>)，数据分析中在该时间段之前的数据舍去，以满足准稳态的l9平均值取有效时间之均值。2.2测试仪器由中国地质大学地质工程实验中心监制、机电公司制造的专业测试仪元件及其精度和主要测(1)功率测量范围2~6kW，精度达到国家标准精度±1%，可通率大小；(2)流量测量范围0~2m3/h，精度达到国家标准精度±1%，可通；(3)温度测量范围0~100℃，精度达到国家标准精度±0.2℃；(4)数据实时显示并采集记录，记录时间间隔1min，达到国家标(5)测试仪器采用国家标准推荐使用的恒功率(加热)法测试方数均满足规范。RTDV2.3测试方法加热器加热后流经录仪，然后导(1)检查地埋管及回填质量等测试条件；(2)安装测试仪器与测试孔地埋管连接，并做必要保温措施；(3)对测试仪器进行补水，之后对之供电；(4)启动循环泵并进行反复补水排气；(6)停止试验，提取试验数据；(7)做好测试钻孔口防护工作。图3测试过程示意图本次测试是在测试孔埋管回填后2~4天进场测试的，测试仪器供3现场测试3.1现场钻孔编录123钟83天123钟83天123钟83天123钟83天12383天注：1、测试孔地下水位埋深约40m，裂隙水；2、本地层信息根据专业钻孔方提供的地层信息结合岩土工程勘察报告依据《岩土工程勘察规范》GB50021编录；3.2钻孔设计现场进行了5个钻孔，进行热物性测试。为了尽量符合实际应用的表4测试钻孔参数表钻孔编号钻孔深度钻孔直径(mm)埋管材质埋管规格钻孔回填材料ZK1HDPE膨润土+石英砂ZK2HDPE膨润土+石英砂ZK3HDPE膨润土+石英砂ZK4HDPE膨润土+石英砂ZK5HDPE膨润土+石英砂艺，单孔钻探时间约2-4天。采用钻机下管。管材焊接牢固、垂直。测试孔采用膨润土+3.3测试内容(1)初始地温测试：PE管内充满水，钻孔回填(2)地埋管水温平衡法保持稳定不变或变化范围，取其平均值作为岩土体初始温度。采用点测温仪进行每间隔5米进行测试，得出温度剖面图(见图4)，可以看出：K温度稳定上达到一个最大值，然后沿着深度方向衰减。当深度超过25米温度开始ZKZK度ZK均温度ZK度ZK均温度ZK度定：ZK48-2022/3/1317:48，结束测试条件为进出口水温在1小时内保持稳定。经测试进出口温度基本稳定在ZK00-2022/3/2316:00，结束测试条件为进出口水温在1小时内保持稳定。经测试进出口温度基本稳定在ZK2022/3/421:30，结束测试条件为进出口水温在1小时内保持稳定。经测试进出口温度基本稳定在ZK00-2022/3/1814:00，结束测试条件为进出口水温在1小时内保持稳定。经测试进出口温度基本稳定在ZK2022/3/821:19，结束测试条件为进出口水温在1小时内保持稳定。经测试进出口温度基本稳定在(2)地下热响应测试监测地分析处理计算后ZK线K20ZK线KZK线2122233.4测试结果(4)(4)ql——单位延米地埋管换热器换热功率，W/m；r——钻孔半径，m；Y；根据上式可推导利用热响应测试数据计算岩土体导热系数的公式(5)(6)式(3)中的ql值取测试仪器的输入电功率。埋管换热器进出水平均温度数据做成对数曲线2425将稳定热流测试的地埋管换热器进出水平均温度数据做成对数曲形式，通过曲线拟合结果可计算：ZK1曲线斜率k系数k=2.64。由计算管换热器的平均换热功率ZK2曲线斜率k系数k=2.73。由计算管换热器的平均换热功率ZK3曲线斜率k系数k=2.28。由计算管换热器的平均换热功率ZK4曲线斜率k系数k=1.79。由计算管换热器的平均换热功率ZK5曲线斜率k系数k=1.34。由计算管换热器的平均换热功率表4测试计算结果表测试钻孔初始温度导热系数钻孔热阻值编号(℃)(W/m·K)(m·K/W)ZK10.2026ZK20.21ZK30.023ZK4ZK5注：1、初始温度即工程场地地层初始温度，是在现场测试伊始采用无功水循环法测试，结合区域气候条件、钻进工艺影响综合分析计算的结果；2、导热系数即地下岩土传递热量快慢的物理量，体积比热容是指每立方米地下岩土体每升高(降低)1℃所吸收(释放)的热量，二者为与地层岩性及地下水条件有关的客观参数。3.5综合分析及评价热地质条(1)地层岩性：场地主要的地质结构为上部是填土，残积土，强风化层和中风化层，打钻的过程发现强风化层极其破碎，取样难度极据推测是岩石中存在裂隙，变质作用的过程中被石英充填；此外，ZK况基本一致。(2)场地地下水属于上层风化带孔隙水和基岩裂隙水，主要分布于上27明地下岩土体的换热性能比较一般。此外，场地存在一定的地下水，这有利于增强换热效果和长期换热性能，有利于增强换热系4室内岩土热物性测试4.1测试原理芯和土样进行热物性参数测试。(1)土样热源模型，该模型长度方向传热量忽持不变(通过控制加热功针外传热可视为以探分别为2T=Tf,r)w,t>0(7)(8)(9) s28线热源，不考虑探于无限大均匀介质中的线热源有恒定热流发生时，可以求得导热微分方程的解。在距离r函数表示：t0为初始温度；Ei为指数积分函数，其表达式为：则有 922(2)岩芯热物性参数测试(17)(17)Q源提供的热量；ATAlnt(0)24.2测试过程本次测试严格遵照相关国家规范进行。测试要求土样直径大于6030m均满足规范要求。测试采用设备为斯洛伐克进口的仪器ISOMET2114岩土材料热物31图10室内热物性参数测试4.3测试结果及分析到不同深度处岩hi—取芯范围(m)；H(m)。32编号取样深度导热系数λ比热容Cρ热扩散系数αW/(m·K)MJ/(m3·K)10-6m2/s10.3.37012.21710.61802.32152.20310.59873.26042.20520.57164.25490.5707522.4.2462.56810.7947626.7.59880.7293732.2.53200.7155838.60.9988.51570.6590942.32.0311.6086.380046.22.3265.5912.445253.2.6124.640058.62.7451.6821.632062.32.4692.5137.663767.62.3541.6120.556272.32.3277.5953.449878.22.4652.5862.489582.32.6212.5762.496289.22.3350.6012.458393.22.53342.3710.47322097.22.3387.6052.4684335结论与建议5.1结论的地源热泵系统运行工况及条件：(1)通过钻孔编录可知，ZK1第四系厚度为30米，主要为黏质红0m处有地下水出化至强风化基岩破碎带，为褐灰色m色粉砂质板岩及细砂岩，硬度较高，裂隙中有石英晶体填充。ZK2第四系厚度为40米，m板岩及细砂岩，硬mm风第四系厚度为20米，岩心多呈散状及柱状，有孔隙发育；20m-40m为色泥岩，硬度较低，裂隙中有红褐，硬度较高，裂隙中有石英晶体填裂隙中有石英晶体填充。(2)项目展开了两种不同方式的钻孔温度测试：点测温仪进行每ZK较34从40米温度稳定上升，从19.2℃上升至19.7℃，地温梯度约为幅度较大；从5米到40米温度较稳定为恒温带，该段平均温度约为。℃；(3)线热源模型计算可知，100米以内ZK1岩土体综合平均导热KZK35(4)进行了钻孔取芯和室内热物性测试，结果表明上部土体的导K(5)根据测试所得地下初始温度和综合地下导热系数，结合钻孔下热堆积的前提下)，5.2说明与建议(1)本测试的过程是严格按照国家标准《地源热泵系统工程技术(2)报告测试结果中的初始温度、导热系数和钻孔热阻值均为本纵向差异控制，地地源热泵工程设计。(3)报告中建议的夏季和冬季最大换热量的值是测试参数和地源热泵设计软件进行计算的。值得注意的是，该值与(2)中3个参数不，保证建筑体向有考虑大量钻孔换热过程中得的最大值，如存以上法避免或者酌情折减延米换热量。36照片1现场点测温测试照片2岩土热响应测试现场钻孔柱状图第1页共1页工程名称长沙智谷智慧综合能源工程工程编号NK400801-G0101钻孔编号ZK1孔口高程(m)64.50坐标X=103540.25开工日期2022.3.8稳定水位深度(m)10.00孔口直径(mm)Y=33544.30竣工日期2022.3.10稳定水位日期2022.3.11地层编号时代成因层底高程层底深度分层厚度柱状图1:600地层描述标贯深度)标贯击数击(附注①59.505.005.00杂填土，褐、黄褐、灰褐等色，由黏性土不均匀混10-55%建筑垃圾及风化岩块而成，其硬杂质以砼块及岩残积土，黄褐、紫红色，为下伏基岩风化残积而成，原岩结构可辨，不均匀夹有10-25%未风化完全的风化岩块，稍湿，硬塑状态，捻面稍光滑无光泽，其干强度及韧性中等，摇震无反应。全风化板岩，黄褐、紫红色，红褐色，稍湿，呈硬塑~坚硬状态;矿物已完全风化变质，偶见石英脉充填，岩芯多呈土状，偶呈土夹碎块状，碎块以强风化岩状为主，钻进时钻杆时有跳动，具浸水软化特性。强风化板岩，黄褐色，大部分矿物成分已风化变质，陡倾角节理裂隙极发育，裂隙面被黑色铁质物浸见石英脉充填，岩体极破碎，岩芯多呈短柱状及碎块状，易沿节理裂隙面断开，手可折断。中风化粉砂质板岩及细砂岩，青色，主要成分为矿物成分为石英、石，变余结构，板状及块状构造，裂隙发育，见石英脉充填，岩体完整程度好，硬度较高，岩石取芯率高于75%，②34.5030.0025.00③24.5040.0010.00④-0.5065.0025.00⑤-38.50103.0038.00勘察单位中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司制图周星志校核刘练兵2022.3.261钻孔柱状图第1页共1页工程名称长沙智谷智慧综合能源工程工程编号NK400801-G0101钻孔编号ZK2孔口高程(m)72.01坐标X=103513.31开工日期2022.3.15稳定水位深度(m)10.00孔口直径(mm)Y=33913.15竣工日期2022.3.20稳定水位日期2022.3.21地层编号时代成因层底高程层底深度分层厚度柱状图1:600地层描述标贯深度)标贯击数击(附注 64.018.008.00杂填土，褐、黄褐、灰褐等色，由黏性土不均匀混10-55%建筑垃圾及风化岩块而成，其硬杂质以砼块及岩残积土，黄褐、紫红色，为下伏岩风化残积而成，原岩结构可辨，不均匀夹有10-25%未风化完全的风化岩块，稍湿，硬塑状态，捻面稍滑无光泽，其干强度及韧性中等，摇震无反应。全风化板岩，黄褐、紫红色，红褐色，稍湿，呈硬塑~坚硬状态;矿物已完全风化变质，偶见石英脉充填，岩芯多呈土状，偶呈土夹碎块状，碎块以强风化岩状为主，钻进时钻杆时有跳动，具浸水软化特性。 229.0143.0035.00 19.0153.0010.0044-5.9978.0025.00强风化板岩，黄褐色，大部分矿物成分已风化变质，陡倾角节理裂隙极发育，裂隙面被黑色铁质物浸偶见石英脉充填，岩体极破碎，岩芯多呈短柱状及碎块状，易沿节理裂隙面断开，手可折断。5-30.99103.0025.00中风化粉砂质板岩及细砂岩，青色，主要成分为矿物成分为石英、石，变余结构，板状及块状构造，裂隙发育，见石英脉充填，岩体完整程度好，硬度较高，岩石取芯率高于75%，勘察单位中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司制图周星志校核刘练兵2022.3.262钻孔柱状图第1页共1页工程名称长沙智谷智慧综合能源工程工程编号NK400801-G0101钻孔编号ZK3孔口高程(m)67.77坐标X=103170.32开工日期2022.2.25稳定水位深度(m)40.00孔口直径(mm)Y=33959.54竣工日期2022.3.2稳定水位日期2022.3.3地层编号时代成因层底高程层底深度分层厚度柱状图1:600地层描述标贯深度)标贯击数击(附注 62.775.005.00杂填土，褐、黄褐、灰褐等色，由黏性土不均匀混10-55%建筑垃圾及风化岩块而成，其硬杂质以砼块及岩残积土，黄褐、紫红色，为下伏基岩风化残积而成，原岩结构可辨，不均匀夹有10-25%未风化完全的风化岩块，稍湿，硬塑状态，捻面稍光滑无光泽，其干强度及韧性中等，摇震无反应。全风化板岩，黄褐、紫红色，红褐色，稍湿，呈硬塑~坚硬状态;矿物已完全风化变质，偶见石英脉充填，岩芯多呈土状，偶呈土夹碎块状，碎块以强风化岩状为主，钻进时钻杆时有跳动，具浸水软化特性。强风化板岩，黄褐色，大部分矿物成分已风化变质，陡倾角节理裂隙极发育，裂隙面被黑色铁质物浸见石英脉充填，岩体极破碎，岩芯多呈短柱状及碎块状，易沿节理裂隙面断开，手可折断。中风化粉砂质板岩及细砂岩，青灰色，主要成分为矿物成分为石英、长石，变余结构，板状及块状构造，裂隙发育，见石英脉充填，岩体完整程度好，硬度较高，岩石取芯率高于75%， 257.7710.005.00 24.7743.0033.004411.7756.0013.005-35.23103.0047.00勘察单位中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司制图周星志校核刘练兵2022.3.263钻孔柱状图第1页共1页工程名称长沙智谷智慧综合能源工程工程编号NK400801-G0101钻孔编号ZK4孔口高程(m)61.98坐标X=102830.35开工日期2022.3.9稳定水位深度(m)40.00孔口直径(mm)Y=33595.09竣工日期2022.3.14稳定水位日期2022.3.15地层编号时代成因层底高程层底深度分层厚度柱状图1:600地层描述标贯深度)标贯击数击(附注 56.985.005.00残积土，黄褐、紫红色，为下伏岩风化残积而成，原岩结构可辨，不均匀夹有10-25%未风化完全的风化岩块，稍湿，硬塑状态，捻面稍滑无光泽，其干强度及韧性中等，摇震无反应。残积土，黄褐、紫红色，为下伏岩风化残积而成，原岩结构可辨，不均匀夹有10-25%未风化完全的风化岩块，稍湿，硬塑状态，捻面稍滑无光泽，其干强度及韧性中等，摇震无反应。全风化板岩，黄褐、紫红色，红褐色，稍湿，呈硬塑~坚硬状态;矿物已完全风化变质，偶