一种双U型地埋管地源热泵的测试方法与流程

一种双u型地埋管地源热泵的测试方法
技术领域
1.本发明属于地热利用技术领域，具体涉及一种双u型地埋管地源热泵的测试方法。


背景技术：

2.卷烟厂在生产过程中，为了保证烟片及烟丝的含水率等工艺参数不受外环境的影响，空调系统是卷烟厂非常重要的辅助设备，若是空调系统出现问题，会直接影响成品烟支的质量，为此，所有的卷烟厂不论任何季节均需要使用空调系统，空调系统的运行需要大量的电能，如何降低空调的能量消耗是本领域一直在研究的问题。
3.经过统计分析现各卷烟厂的位置，有些卷烟厂的位置有较好的地热资源，比如漯河卷烟厂的地热资源比较丰富，但是现技术对地热的利用非常简单，仅是通过管线引入用于部分的生活区的使用，尚没有任何用于辅助空调系统的技术。


技术实现要素：

4.本技术的发明目的在于提供一种双u型地埋管地源热泵的测试方法，以解决上述提及的问题。
5.为实现上述目的，本技术是通过以下技术方案实现的：
6.一种双u型地埋管地源热泵的测试方法，包括以下步骤：
7.s1、根据需要制冷或供暖面积，计算出平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr；
8.s2、根据平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr确定地热源端地埋管换热量，平均制冷负荷qc＝0.172x s,平均供暖负荷qr，其中，平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr的单位均为千瓦时，s为面积；
9.s3、确定制冷状态下车间的蒸发器的进出水温度范围，及确定供暖状态下车间的冷凝器的进出水温度范围；
10.s4、在地热范围内钻探设定直径的第一地热井，并在第一地热井内设置双u型地埋管，并确定双u型地埋管的设计深度h；
11.s5、钻探设定直径的第二地热井和第三地热井至设计深度h，并进行现场换热测试，并确定延米井深换热量w；
12.s6、依据n1＝(q
c x 1000)/w x h，n2＝(q
r x 1000)/w x h，计算制冷及供暖需要钻井数，并以数值大的为最终钻井数n；依据l＝4nh计算埋管长度，其中l为埋管长度，n为最终钻井数，h为设计深度。
13.进一步的，在步骤s1之前还包括统计空调系统历史制冷负荷和供暖负荷，并确定实际平均制冷负荷qsc和实际平均供暖负荷qsr；
14.比较平均制冷负荷qc与实际平均制冷负荷qsc，及比较平均供暖负荷qr与实际平均供暖负荷qsr，以数据值小的制冷负荷和供暖负荷为测试制冷负荷和测试供暖负荷。
15.进一步的，制冷状态下车间的蒸发器的进出水温度为12/7℃，供暖状态下车间的冷凝器的进出水温度为40/45℃。
区及生活配套用房，合计建筑面积为16535m2，有效供暖面积为11424m2，如表1所示。
[0037][0038]
备注：1.表中3个区域部分面积采用多联机空调和供暖；2.每平方米空调面积设计冷量172w(26.5w电)；每平方米空调面积设计热量92w(16w电)。
[0039]
表中地埋管地源热泵系统覆盖的供冷、供暖区域，夏季供冷负荷为1965kw，冬季供暖区域为1051kw。
[0040]
2、供冷、供暖方式：
[0041]
选用知名品牌水冷热泵机组和环保型制冷剂，冬季用户侧通过热泵冷凝器提供45℃热水，蒸发器通过地埋管循环吸热；夏季用户侧通过热泵蒸发器提供7℃冷水，冷凝器通过地埋管循环放热；制冷和供暖模式蒸发器和冷凝器相互切换，末端采用冷暖两用风机盘管供冷和供暖。
[0042]
3、地质勘探测试和分析：
[0043]
所用实验设备：
[0044]
钻孔井机，钻孔深度0-300m，钻孔尺寸150mm。
[0045]
埋地hdpe热熔管φ32
×
3(dn25)，双u接头dn25。
[0046]
深井专用测温、水流速度传感器。
[0047]
测试设备及其软件。
[0048]
实验方案：
[0049]
地埋管换热器设计方案为，为充分利用钻孔容积，提高经济性，在钻孔直径150mm，深150m的孔井内，换热管采用双u型pe管布局，即每个钻孔水流采用双回程设计；为减小土石方开挖面积，钻孔间距为5m标准间距，地上部分建设绿地或者停车场，节约土地资源。
[0050]
在项目区布置3眼勘探孔，通过勘探孔的钻凿，第一地热井(tk-2)了解地层结构及可钻性，钻孔深度处水流、水温，确定钻探深度；第二地热井、第三地热井(tk-1和tk-3)下入双u型换热器，通过模拟热泵运行(恒定工况法)进出水温、温差测量，换热量计算，地质体热响应测试，并利用数学模型反演计算岩土体综合传热系数等热响应参数，给出试验工况下，地埋管换热器的延米换热能力赋值。
[0051]
具体测试原理如下：
[0052]
将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的hdpe管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵2驱动环路内的液体不断循环，同时仪器内的热源3不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环，加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中，将进/出仪器的温度、流量和热源的加热功率进行采集记录，来进行分析计算岩土体的热响应参数，见图2所示。
[0053]
埋管深度确定：
[0054]
开钻tk-2钻孔，随着钻井深度的增加，不断观察所带出的粘土颜色、组份，了解地质结构，测量不同深度下的水温和流速，且地表以下150m深度范围内的地层，岩性以粘土、粘土夹砾石、粗砂层为主，沉积物颗粒整体较细。项目区所在区域处于第四系冲洪积、冲湖积砂、砂砾石含水层地质单元，勘探孔揭露的含水层岩性为粗砂含砾石，厚度较大，约30m(在深度为120-150m)，其水流速度为0.05m/s，水温为18.9℃，该数据在48h内连续检测，无差异性变化。单井涌水量预估为1000-3000m3/d分区内，地质体富水性较好。该深处地质温度为18.9℃，软件测试预估，全年运行后地质体温度升高仅0.3℃，即温升达19.2℃，地质体温度变化较小。进一步预估，200米-1100米为增温带，深度每增加100米，地层温升为2-5℃。据此，埋管最佳深度为150m，同时也可满足夏季制冷和冬季供暖要求，见图3所示。
[0055]
换热孔每延米换热量确定：
[0056]
按照tk-2钻孔钻探深度要求，分别开钻tk-1和tk-3。
[0057]
自2019年6月10日18:50至2019年6月12日10:46，开启加热器使系统在夏季模式下运行，加热器温度设置为30℃，换热器流量控制在1.60m3/h左右，测试初始进出水温度逐渐上升，随着换热管向地下排热的进行，周围回填物及地质体间的热量传递逐渐达到平衡，供回水温度、温差基本达到稳定状态。系统达到稳定后，测试孔进水温度约为29.54℃，回水温度约为25.48℃，供回水温差约4.06℃，流量约1.58m3/h。换热孔进出水温度达到稳定后，经计算实验工况下换热孔每延米换热量约为61.33w/m(给水温度为30℃)。kt-1孔模拟夏季系统排热30℃工况下供回水温度随时间变化曲线见图4。
[0058]
本次换热实验数据主要采用了中国建筑科学研究院研发的“地源先锋”软件进行模拟计算，根据《地源热泵系统工程技术规范》(2009年修订版)对岩土热响应试验的要求，计算kt-1勘探孔取热、排热量，结果见表2。
[0059]
表2：kt-1勘探孔换热量计算表
[0060][0061]
同样的，对kt-3钻孔也按照上述，进行了类似实验。考虑到变温层对垂直地埋管换热器的换热能力有一定的影响，综合kt-1、kt-3勘探孔的换热量计算值，推荐地埋管换热器的夏季换热量为60w/m，冬季换热量为45w/m。
[0062]
采用“地源先锋”软件模拟项目区地质条件下得出的岩土体平均导热率为2.324w/
m.℃，容积比热容为2.233
×
106j/m3℃。
[0063]
地埋管数量及其地埋管结构确定：
[0064]
按需求分析提供的制冷量计算地埋管数量，钻孔孔数和占地面积：
[0065]
地埋井个数为：
[0066]
n＝(q
×
1000)/(w
×
h)；
[0067]
q——地埋管与土壤最大换热量kw，这里以最大需求制冷量为例；
[0068]
w——地埋管延米井深换热量，由本项目试验得60w/m；
[0069]
n＝(1965
×
1000)/(60
×
150)＝218(眼)。
[0070]
为便于进行钻孔布局，本方案采用矩阵布置结构，孔井间距为5m,孔井数量为30(列)
×
8(行)＝240个，占地面积为30
×5×8×
5＝150m
×
40m＝6000m2。
[0071]
埋管长度数量为240
×4×
150＝144000m，地埋管植入后，原浆回填，井孔布局见图5所示。
[0072]
图5中240个孔井，分3组，每80个孔井为1组，每组设置一对集水器和分水器，3组集水器和分水器与总集水器并联。在每80个为一组的孔井单元中，所有双u型散热管采用并联方式。
[0073]
热泵选型、制冷、供暖模式切换和管网布局：
[0074]
结合需求分析，本项目选择2台顿汉.布什热泵水冷机组，单台制冷量967.5kw(250冷吨)，制冷能效比6.7，制热量1076.6kw，热效系数5.03。2台热泵在低负荷时，运行1台，在高负荷时运行2台。
[0075]
冷水泵和冷却水泵采用2用1备，地源侧泵单台流量为230m3/h，扬程28m；用户侧泵单台流量为190m3/h，扬程32m。
[0076]
地埋管换热器与地源测集水和分水器相连，接收蒸发器或者冷凝器能量，依靠8个电动开关阀实现蒸发器和冷凝器与地埋管进行对接互换，以适应冬夏季的采暖和供冷切换，如图6所示。
[0077]
三对地埋管侧集、分水器分别安装在3个5m
×
3m-深2.5m地下室内，室外场地水平布置的管道安装在宽1.5m，深2.0沟槽内，三对集分水器并联于室内热泵地源侧集分水器。管网布局见图7，整个埋管区域为上铺设绿化带。总管、支管、分支管均采用hdpe热熔管，其规格分别为de90
×
6.7、de75
×
5.6、de63
×
4.7，其热导率0.65w/(m.℃)，如图7所示。
[0078]
运行性能分析和经济性：
[0079]
从施工后运行参数数据采集，统计分析表明，系统能持久地提供11-15℃冷水，用于生活、办公区域夏季供冷要求，见图8所示。
[0080]
据地勘测试，冬季换热管延米换热量大于45w/m，换热量为45w/m
×
240孔
×
150m/孔＝1620kw＞1488.4kw，满足冬季供暖设计要求。
[0081]
在供暖季节可节约相应锅炉燃烧所消耗的天然气数量，按下列公式计算：
[0082]
冬季供暖时间为：90d
×
20h/d＝1800h；
[0083]
额定供暖热量按1051kw(kj/s)(供暖面积为11424m2)计算，折算天然气消耗为：
[0084]
(1051kj/s
×
1800h
×
3600s/h)/(38979kj/m3×
0.9)＝194135m3；
[0085]
天然气平均低位发热量38979kj/m3,锅炉热效率取0.9；
[0086]
年节约采暖费用约194135m3×
2.6元/m3＝50.5万元。
[0087]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

技术特征：
1.一种双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据需要制冷或供暖面积，计算出平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr；s2、根据平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr确定地热源端地埋管换热量，平均制冷负荷qc＝0.172x s,平均供暖负荷qr，其中，平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr的单位均为千瓦时，s为面积；s3、确定制冷状态下车间的蒸发器的进出水温度范围，及确定供暖状态下车间的冷凝器的进出水温度范围；s4、在地热范围内钻探设定直径的第一地热井，并在第一地热井内设置双u型地埋管，并确定双u型地埋管的设计深度h；s5、钻探设定直径的第二地热井和第三地热井至设计深度h，并进行现场换热测试，并确定延米井深换热量w；s6、依据n1＝(qc x 1000)/w x h，n2＝(qr x 1000)/w x h，计算制冷及供暖需要钻井数，并以数值大的为最终钻井数n；依据l＝4nh计算埋管长度，其中l为埋管长度，n为最终钻井数，h为设计深度。2.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，在步骤s1之前还包括统计空调系统历史制冷负荷和供暖负荷，并确定实际平均制冷负荷qsc和实际平均供暖负荷qsr；比较平均制冷负荷qc与实际平均制冷负荷qsc，及比较平均供暖负荷qr与实际平均供暖负荷qsr，以数据值小的制冷负荷和供暖负荷为测试制冷负荷和测试供暖负荷。3.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，制冷状态下车间的蒸发器的进出水温度为12/7℃，供暖状态下车间的冷凝器的进出水温度为40/45℃。4.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，步骤s4中的设定直径为150mm。5.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，步骤s4中确定双u型地埋管的设计深度h的条件为，地热温度为18-19℃并无差异性变化，单井涌水量1000-3000m3/d。6.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，步骤s5中，现场换热测试分别设定30℃和35℃及给水量，检测回水温度变化，检测和计算延米井深换热量、地埋管、地质换热参数。7.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，根据平均制冷负荷qc和平均供暖负荷qr，选择热泵品牌和型号，根据型号选择水泵流量，扬程，管道布局，集分水器布局。8.根据权利要求1所述的双u型地埋管地源热泵的测试方法，其特征在于，还包括在冬季模式和夏季模式下，测试热泵运行后，蒸发器进出水温、冷凝器进出水温，计算制冷和供暖能效。

技术总结
本发明涉及一种双U型地埋管地源热泵的测试方法，根据需要制冷和供暖面积，计算出平均制冷负荷和平均供暖负荷，再确定制冷状态下用户侧蒸发器及冷凝器的进出水温度范围，在地热范围内钻设地热井，并在地热井内设置双U型地埋管并确定设计深度，再钻探其它的地热井至设计深度，进行现场换热测试，确定延米井深换热量，再计算所需要钻井数及埋管长度。本技术方案的双U型地埋管的埋管深度通过地质勘探测试，选定双U型地埋管铺设长度和深度，确定方案，并进行钻孔布管土方施工，热泵及其水管网设计施工，并在工程结束通过试运行和测试，确保水流速度和温度常年平衡，水温在19-20℃的地质区域，即满足供暖要求，也满足制冷要求。也满足制冷要求。也满足制冷要求。


技术研发人员：张蒙生 尹凯歌 李鹏斐 赵明珠 赵强 王培军 陈晨 徐云鹏 王龙涛 王志勇 王根旺 田一鸣 罗俊涛 王爱霞 孟令辉 王孜 范现鑫
受保护的技术使用者：河南中烟工业有限责任公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6