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地源热泵土壤热物性测试研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号 083096 地源热泵土壤热物性测试研究 1 2 3 于文俊 ,唐志伟 ,张宏宇 (北京工业大学环境与能源工程学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京 市重点实验室,北京 100124) (Tel: Email: yuwenjun@) 摘 要:为了进行地源热泵土壤热物性的研究,本文采用线热源模型,依据热响应原理,设计了土壤热 物性测试装置,进行了现场测试并对测试结果的影响因素进行了分析。测试表明:测试时间越长,得 到的土壤导热系数越准确;加热功率和管内流速的波动都会对测试结果产生影响。 关键词:地源热泵;热物性;热响应 0 前言 土壤源热泵系统的初次安装费用过高,是制约其迅速发展的主要因素。钻凿换热孔 和铺设 U 型地埋管的费用占整个土壤源热泵空调系统的投资比例的三分之一,直接影响 了土壤源热泵系统的成本。当地下土壤的热导率或热扩散率发生 10%的偏差时,地下埋 [1] 管设计长度偏差为 4.5%~5.8% 。所以,在满足空调用户需求的前提下,要尽可能地降 低土壤源热泵空调系统的初装费,就必须对地壤热物性有一个充分的了解。本测试的主 要目的是获得土壤导热系数和大地原始温度,为地源热泵系统地埋管设计提供依据。 传统的测试方法是实验室法,然而地下地质构成复杂,即使同一种岩石成分,其热 物性参数取值范围也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍,导致 计算得到的埋管长度也相差数倍。从而使得地源热泵系统的造价会产生相当大的偏差。 另外,不同的封井材料和埋管方式对换热都影响,因此在实际应用中大多数采用现场直 接测量。 [2] 目前在现场直接测量土壤热物性的方法中应用比较广泛的是热响应测试法 。 1 测试原理 地下土壤的导热系数等无法直接测量,只能通过测量温度、热流等相关参数进行反 推。在已钻好的钻孔中埋设导管并按设计要求回填,该钻孔中的导管将来可以作为地热 换热器的一个支路使用。回路中充满水,让水在回路中循环流动,自某一时刻起对水连 续加热相当长的时间 (数天),并测量加热功率、回路中水的流量和水的温度及其所对 应的时间。最后再根据已知的数据推算出钻孔周围土壤的平均热物性参数。 [3] 目前计算换热器与周围土壤换热的模型主要为线热源模型和柱热源模型 。柱热源 模型需要埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参 数。在工程应用中,由于测量的困难和钻孔内埋管埋设的不确定性,这些参数的误差均 较大,影响最终物性结果的可靠性。线热源模型,不计钻孔内具体状况,避免确定钻孔中 埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数。实际 需要的只是钻孔周围土壤的热物性参数,忽略钻孔内部构造等,不会对工程应用产生影 响。理论上讲这样的模型十分粗糙,但是因减少测量参数带来的误差,并且数据处理方 便,应用于工程时得到的结果可能会更好。因此,本测试装置选择应用线热源模型。 按照地埋管线热源模型理论,如果输入的热量恒定,循环液的平均温度与时间存在 [3] 一个对数关系 ,即: T (q/4)ln(t)A 式中:T 为流体温度(℃);q 为单位深度换热量(W/m);λ为土壤平均导热系数 (W/m℃);t 为时间(分钟);A 为常数。 根据测量得数据的变化规律特性,温度与时间基本上是成对数关系变化。将所测数 据根据线热源理论的关系式拟合后即可推算出土

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