（热能工程专业论文）双工况地源热泵土壤热物性测试研究.pdf

摘要 摘要 目前国内外在土壤源热泵的应用中，都遇到了一个很大的问题，就是土壤源 热泵系统的初次安装费用过高，这也是制约这种系统迅速发展的主要因素。钻凿 换热孔和铺设u 型地埋管的费用在整个土壤源热泵空调系统的投资中所占比例 很大，约有三分之一，直接影响了土壤源热泵系统的成本。对土壤的热物性进行 测试，对地源热泵热泵地下换热系统有合理把握，不但可以降低土壤源热泵的成 本，还能有效增强热泵机组运行的稳定性，从而保证空调系统的运行以及热泵机 组的寿命。 本文进行了以下四部分的研究工作：第一，采用地源热泵设计中通用的分析 方法，将土壤分为钻孔内和钻孔外两个部分，建立了线热源换热模型与柱热源换 热模型，其中土壤热物性参数是影响数学模型的重要因素。第二，由于冬夏季地 下土壤的热迁移方向、水分含量的不同，导热系数也并不相同，因此本文分别研 制了模拟冬季工况和夏季工况的土壤热物性测试装置。第三，根据线热源换热模 型和柱热源模型的原理，利用v b 6 0 编写了适用于冬季工况和夏季工况的数据 处理软件。最后，结合实际测试项目进行了模拟地源热泵冬季工况和夏季工况的 热物性现场测试，分别应用线热源换热模型和柱热源换热模型进行了数据处理。 对线热源换热模型和柱热源换热模型的处理结果进行了比较。同时在测试数据和 理论分析的基础上对影响热物性测试结果的可能因素进行了分析并提出了相关 的解决方案。 本文地源热泵土壤热物性测试的研究，对地源热泵的优化设计和地源热泵 的应用发展具有指导意义，希望本文的研究内容能对地源热泵的土壤热物性测试 研究、地源热泵系统设计有所贡献。 关键词：土壤热物性；线热源；柱热源；冬季工况；夏季工况 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ei sar e a lp r o b l e mi ng r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) a p p l i c a t i o n sb o t h i nt h eh o m eo ro v e r s e a s ，t h a ti st h ei n i t i a lf a b r i c a t i n gc o s to fg s h ps y s t e mi st o o e x p e n s i v e , m a i n l yb e c a u s eo ft h ec o s to fb o r i n gh e a t - r a n s f e rh o l ea n dp a v i n gu t y p e b u r i e dp i p e sw i l la c c o u n tf o ro n e l i r di i lt o t a lc o s t s o ，i th a sb e e no n er e s t r a i n i n g f a c t o r i nt h es y s t e md e v e l o p m e n t t h e r m a o p h y s i c a lp r o p e r t ym e a s u r i n go fs o i li sa l l e f f e c t i v em e a n st oe n s u r eah i 班p e r f o r m a n c eo fa i r - c o n d i t i o n i n ga n dah i g hl i f eo f g s h ps y s t e mb yc u t t i n gt h er u n n i n gc o s to fg s h ps y s t e ma n de n h a n c et h eo p e r a t i n g s t a b i l i t y t h i sp a p e rh a sf o u rp a r t s ：f i r s t ，t h es o i lt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t yt e s ti sa p r e v i o u sw o r kf o rg s h ps y s t e md e s i g n i no r d e rt ob u i l dt h el i n eh e a ts o u r c em o d e l a n dc y l i n d r i c a lh e a ts o u r c em o d e l ，t h i st e x td i v i d e ds o i li n t ot w os e c t i o n si n s i d ea n d o u t s i d et h eb o r e , b yt h em o s tg e n e r a la n a l y t i c a lm e t h o di ng s h ps y s t e md e s i g n i n g ； s e c o n d l y , d i f f e r e n ts o i lt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t yt e s t i n ge q u i p m e n t sw e r ed e v e l o p e d f o rw i n t e ra n ds u m m e rb e h a v i o u r si n d i v i d u a l l y , b e c a u s eo fh e a tt r a n s f e rd i r e c t i o n ， l i q u i dw a t e rc o n t e n ta n dh e a tc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n to fs o i lh a v ed i f f e r e n tv a l u e s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s n e x t , ad a t ep r o c e s s i n gs o f t w a r ew a sc r e a t e du s e p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea sv b 6 0 ，w h i c hi sf i tt op r o c e s s i n gd a t eb o t hi nw i n t e ra n d s u m m e rb e h a v i o u s f i n a l l y , as p o tt e s to fs o i lt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t yh a sb e e nd o n e i n d i v i d u a l l yu n d e rw i n t e ra n d $ n m m e rc o n d i t i o n s t oi l l u s t r a t et h ep o i n t , t h et e x t p r o c e s s i n gt h ed a t ea n dm a k i n gr e l a t i v ea n a l y s i sw i t hb o ml i n eh e a ts o u r c ea n d c y l i n d r i c a lh e a ts o u r c em o d e l i nt h i sf o u n d a t i o n , t h i st e x tg i v eo u tt h ei m p l i c i t f a c t o r sw h i c hm i g h ta f f e c tt h et e s ta n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s t h e s t u d yj o bo ft h i sp a p e rh a sp r a c t i c a lv a l u e f o rg s h pa p p l i c a t i o n , a n dt h e a u t h o rh o p e si tc a na l s om a k eac o n t r i b u t i o nt ot h es o i lt h e r m o p h s i c a lp r o p e r t yt e s t a n dg s h ps y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：s o i lt h e r m o p h s i c a lp r o p e r t y , l i n eh e a ts o u r c e , c y l i n d r i c a lh e a ts o u r c e ， w i n t e rc o n d i t i o n , s u m m e rc o n d i t i o n i l i - 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 a 横截面积，； a 热扩散率，小： g 一循环介质比热，j i k g 磅 d 一直径，m ； ，一方差和，俨： h 表面传热系数，w l ( m 2 功； 钻孔深度，m ： 历一质量流量，k g l s ； 一为实验测量数据的组数： 口一单位长度钻孔热流密度，w m ； p 一加热功率，舷 r 一半径，肌： 厅一单位长度钻孔内的总热阻，口删7 舷 胎一雷诺数； v ，温度，d 乃一流体平均温度，舒 乃一地埋管进水温度，破 乃地埋管出水温度，毽 历彳时刻计算平均温度； 1 t o l i 时刻实测平均温度； p c 体积比热，j i m 3 谤 五一导热系数，w l ( m 功； 6 样品的厚度，l ； 秒一过余温度，砭 f 一时间，吖 厂一欧拉常数，0 5 7 7 2 2 ； 肋一努赛尔数； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：谶导师签名：签名。哥媳导师签名：阜姬磐日期：蛐厂 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 能源问题是当代国际性的重大战略问题之一，尤其在1 9 7 4 年的中东战争触 发了石油供应危机之后，世界各国纷纷开始新能源的开发利用。自上世纪8 0 年 代末以来，我国大力贯彻以煤为主、多能互补，“实行开发和节约并重，近期要 把节能放在优先地位”的能源总方针，正逐步向中、低温工业余热利用和太阳能、 地热能的扩大利用开展研究和技术开发，其中在地热能利用方面积极开展地源热 泵的探讨。地源热泵技术又称热泵技术，是一种利用浅层常温土壤中的能量作为 能源的先进的高效节能、无污染、低运行成本的既可供暖又可制冷，还可提供生 活热水的新型空调技术。 地源热泵系统开始进入市场时，以地下水为冷热源的水源热泵系统占的比例 很大。但随着系统运行时间延长以及研究的深入，这种系统存在的问题也逐渐暴 露。其中最主要的就是地下水的回灌问题。影响地下水回灌的原因很多：水井钻 凿完成后，洗井时井壁上的“泥皮”未能清除，堵塞含水层；或者人工砾料磨圆 度不够，透水能力差；或者地下承压水中溶解气泡造成含水层堵塞；或者含水层 颗粒较细或颗粒重组造成过水面积减小等【1 】【2 】。所以，虽然理论上抽取的地下水 可以回灌到地下，但是实际上很多的地下水水源热泵系统都很难做到完全回灌。 这样一来地下水资源逐年流失，不但会在一定程度上影响水源热泵系统的使用， 更有甚者，可能会造成地下水资源的过度开采，引起地面的沉降。文献【2 j 【3 j 的研 究还表明，水源热泵系统并非对地下水的水质没有丝毫的污染。同时还有许多机 构对地源热泵进行了研究1 4 d 。 所以目前很多国家( 包括我国在内) 的相关部门对地下水水源热泵的推广都 持审慎态度。在美国甚至划定了某些水源地区明确禁止使用这种系统。 土壤源热泵因为运行时耗电量低，所以运行费用很低，仅为普通空调的5 0 - - 6 0 t l o 1 1 2 】。土壤源热泵系统的地埋管换热器均布设在建筑物周围的地下，对地表 的应用影响不大。而且这种系统既不需要燃煤锅炉的煤场，又没有普通空调的室 外机组，所以既节省了建筑面积，又不影响建筑美观。另外，这种系统冬季制热、 夏季制冷、四季均可提供生活热水，实现一机多用，节省了很多设备。另外还可 以利用可再生能源、高效节能、环保无污染、经济效益显著等优尉【l3 j ：因此 从长期运行的角度来说，土壤源热泵系统的经济效益非常显著。 目前国内外在土壤源热泵的应用中，都遇到了一个很大的问题，就是土壤源 热泵系统的初次安装费用过高，这也是制约这种系统迅速发展的主要因素。因为 土壤源热泵系统是通过埋设在地下的u 型地埋管来取热和散热的，而埋设u 型 北京工业大学工学硕士学位论文 地埋管时需要钻凿相当数量的钻孔即换热孔。钻凿换热孔和铺设u 型地埋管的 费用在整个土壤源热泵空调系统的投资中所占比例很大，约有三分之一，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1 0 的偏差 时，地下埋管设计长度偏差为4 5 , - - , 5 8 。将导致钻孔总深度的变化。如果对 换热孔的换热能力不了解，为了保证系统的稳定，只有盲目增加换热孔的长度， 即增加换热孔的数量或者增大换热孔深度，这样都会造成安装成本的大幅度增 加。如果为了降低成本而减少换热孔长度，又会导致用户侧的制热制冷能力不足， 而且造成热泵机组运行不稳定，影响空调系统的运行以及热泵机组的寿命。所以， 为了要在满足空调用户需求的前提下，尽可能地降低土壤源热泵空调系统的初装 费，就必须对u 型地埋管的换热能力有一个充分的了解。地层热物性测试的主 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。若埋管区域已具备权威部门认可的热物性参数，可直接采用已有数据，否则 应进行土壤热物性测定。 1 2 土壤热物性测试方法 土壤是由岩石经风化作用形成的松散堆积物，包括固、液、气三相的粒状介 质。地表不同岩土层的组成成分有很大的差别，而且其含水率也是随着土壤所处 的状态变化。因此，土壤导热系数并没有一个确切的固定值，我们测试计算的只 是在换热器深度范围内土壤导热系数的一个有效值。 地下岩土的导热系数不能像测量温度、压强等那样直接测量，而只能根据传 热学理论，通过测量温度、热流等参数，进行反向推算，这是一个传热的反问题。 目前有多种测量地下换热器周围岩土导热系数的方法，最简单的方法是直接采用 有关资料提供的各种岩土的经验值，或者通过地质分布图，计算该区域的平均值 作为设计参数。然而对于某种岩石，其导热系数相对平均值的变化范围很大。误差 范围无法达到地源热泵的设计要求。目前用于测量地下换热器周围土壤导热系数 的测试方法主要有以下几种土壤成分估算法，稳态测试法，探针法和热响应现场 测试法。 1 2 1 查表法 查表法是一种非常传统的土壤导热系数估算方法。在测量地点钻井到适合的 深度，分别对不同的钻孔深度取样。根据钻井取下的样品，确定井孔周围土壤或 岩土的类型，然后从岩土热物性参数表中查取对应的导热系数的取值范围，最后 按各成分所占的比例计算平均导热系数。 第l 章绪论 然而，不同的地理位置土壤或岩石类型不同。即使在同一地理位置，在整个 井孔的深度范围内，岩土类型、结构也是复杂多变的，很难获得详细的地质结构 资料。另一方面，同一种土壤类型的导热系数取值范围相当大。例如，花岗岩的 导热系数为1 7 3 w ( m ) 3 9 8w ( m ) 。通过这种方法得到的导热系数取值范围 往往比较大。设计地下换热器时，如果选择的导热系数值过小，则设计出的井孔 深度偏大，投资成本大大增加选择导热系数值过大，则不能保证系统的正常使用 要求。在设计当中，设计师往往优先考虑保证满足正常使用的要求，因此往往造 成设计值偏大，资源浪费因此在当前节约能源与合理利用资源的方针政策下，这 种方法是不可行的。鉴于此种方法的简单方便性，可用于系统方案设计阶段的粗 略估计土壤导热系数，埋管方式性能比较分析，初步选择设计方案。 1 2 2 实验室法 测试土壤导热系数的另外一个方法是采集土壤样品进行实验室测试。实验室 法的实验测量是在待测样品上温度分布达到稳定后进行的，测试法的原理是傅立 叶导热定律： q = 2 , a 等 ( 1 - 1 ) 其中：q 为加热功率，w ： 五待测物导热系数，w ( m ) 彳样品的横截面积，m 2 万- 样品的厚度，m 由式( 1 1 ) 可以看出，对于具有定横截面积和厚度的样品，以恒定的热功 率加热，达到稳定状态后，测量出表面的温差，就可以计算出待测物的导热系数。 最有代表性的实验室测试法是热盘法，也就是稳态平板法。测试时，两块同 种的测试样品各放于主加热平板的上下两面。平板周围有副加热器，以减小水平 方向的热损失，保证主加热器的热流在垂直方向上传递。在样品的外表面装有液 冷装置。加热一定的时间后，在样品内部获得稳定的温差。这样根据己知的样品 厚度和面积，加热的功率，就可以用傅立叶定律计算出样品的导热系数。 其他的实验室测试法都和热盘法相类似，如分棒法，多层同心圆柱法和圆球 法等。实验室测试法不考虑径向的热流损失，假设热量全部沿垂直于样品横截面 的方向传递，因此在主加热器的四周装有副加热器保护加热器来减小径向热量损 失。同时，要尽量减小待测样品的厚度。 用实验室测试法对钻井内样品进行实验测试时，即使考虑径向热量损失，也 有很大误差。主要是因为将土壤从钻井内采集出来后，土壤样品结构和含水量都 北京i 业太学工学碗i 学位论文 发生了很大的变化，因而其物性参数也发生了很大的变化，不能有效的代表地下 实际的土壤导热系数。另外，在样品内部获得稳定的温差需要很长的时间，而且 需要测量若干点的温度值。 如此测得的值只能反映在测量状态加热时的土壤导热系数，而且地下温度场 内的水分迁移过程也没办法模拟。 23 探针法 探针法最早是由一位德国物理学家在1 8 3 3 年提出的。上世纪五十年代 h o o p e r 和l e p p e r 用此法结合线热源模型，测量出了土壤导热系数。该测试法是一 种瞬态法，可阻在工程现场方便快捷地测出井孔周围的土壤导热系数，也可以采 集样品在实验室内测量。与实验室测试法相比，用探针测量土壤导热系数可以减 小测量时间和准备时间，减小结果误差。 常见的探针结构如图所示。它主要是由五部分构成加热器( 恒功率) ，热电 阻温度计，绝缘体，填料一般用石蜡和金属壳。加热器和温度传感器一般都植入 绝缘体陶瓷或环氧树脂内，然后外面加上金属外壳。实验时，把探针插入待测物 的内部，以恒定热功率加热土壤，测量记录探针的温度变化。探针的温升速率取 决于待测物导热系数的大小。根据测定的不同时刻的探针温度和加热器功率，用 线热源可以计算出待测物的导热系数。 a 直插式一 o = = = = = 一 b 手柄式一 图i - l 热探针式温度传感器 f i g 1 1t h e p r o b e - t y p e t e m p e r a t u r es c l l s o r 热探针测试法的原理就是处于无限大介质中的线热源模型。一般探针的长度 只有15 m 长热探针加热测量的整个过程也只有一两个小时，因此只能对其周 围的很小一部分区域进行加热。所以用探针法现场测量地下换热器周围土壤导热 系数时，测量结果只是探针周围很小部分土壤表面的导热系数。而一般的钻井深 度为一，在整个井孔深度方向上分布着不同的土壤层，每层的导热系数都是不同 的。 另一方面热搛针法也只是在周围土壤加热的状态下测试周围土壤的导热系 数，热探针的加热量的可调度不高，因此这种方法无法模拟热泵机组的实际运行 第l 章绪论 工况，无法研究夏季排热过程及冬季取热工况过程水分迁移对土壤导热系数的影 响，无法研究地下土壤温度场的改变对土壤导热系数的影响。 综合以上两方面因素，显然探针法的测量结果不能代表井孔周围土壤的平均 导热系数。 1 2 4 热响应测试法 随着地源热泵技术的发展，因设计时的土壤导热系数偏差引起的地下换热器 投资成本过高的问题越来越明显。地源热泵领域的研究者一直在寻求一种更准确 的土壤导热系数测量和计算方法。1 9 8 3 年，m o g e n s e n 提出了试验井现场测试法， 也就是热响应测试法。 他建议在保持单位管长换热率一定的情况下，让循环液体在埋管换热器内循 环，并连续的记录埋地换热器的进出口温度。根据这些温度数据就能反推土壤的 导热系数与钻孔热阻。 土壤的导热系数与土壤的组成成分及其所处的状态相关，热响应法最大的优 点就是能够模拟热泵系统的实际运行，研究机组实际运行时土壤的平均导热系 数。 1 3 热响应测试法的研究现状 1 3 1 国外研究现状 “地源热泵 的概念最早出现在1 9 1 2 年瑞士的一份专利报告中，该技术的 提出始于英、美两国。1 9 4 6 年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特 市中心区安装成功。随着地源热泵技术的发展，人们对地下部分的认知需求也越 来越迫切，由此土壤的热物性测定成了大家关注的焦点。人们普遍通过模拟地源 热泵实际运行工况进行现场测试【1 7 j 。 m o g e n s e n 在1 9 8 3 年第一次提出了用热响应【1 9 】【2 0 】的方法测试土壤的导热系 数和热阻，他建议使用一个制冷装置产生连续循环冷流体同时持续记录地埋管出 口温度。通过采集的温度数据来计算土壤导热系数和热阻。m o g e n s e n 的热响应 测试方法后来被广泛的应用在世界各地的土壤热物性测试中。 最早的车载式热响应测试装置分别出现在瑞典【2 u 和美国【2 2 l ，瑞典的测试装 置是由l u l e a 工业大学的e k l 6 f 和g e h l i n 于1 9 9 6 年制造的。同时o k l a h o m a 州立 大学的a u s t i n 也在1 9 9 8 年制造了相似的测试装置。这两个装置都是基于 m o g e n s e n 热响应测试的方法，但是都用加热器代替的制冷装置。 其后，从上世纪9 0 年代到现在的十几年的时间里，地源热泵地层热物性现 场测试技术在欧洲及北美地区得到了广泛的发展和应用。2 8 l ，其成果主要体现在 测试原理、测试仪器、以及处理分析数据等方面。 大多数国家研究机构的测试原理主要是模拟地源热泵系统的夏季工况进行 损4 试，例如美国的俄亥俄州立大学、密苏里大学、德国的吉森大学、幕尼黑工业 大学等。极少数国家例如瑞典、荷兰等，为了更加真实更加准确的反映地源热泵 实际情况，采用的是冬季和夏季的职工况进行测试p ”j 。 图1 - 2 挪威l u l e d t q k 大学的e k 峪f 和g e h l i n 于1 9 9 6 图1 3 美国o k l a h o m a 州立大学的a u s t i n 年制造车载式土壤热物性测试装置 在1 9 9 8 年制造的便携式测试装置 f i 9 1 - 2 c a r - c a r c y i n g t o * r i n g e q u i p m 衄t m a d e b y e l d 6 f 皿d f i g i 一3p o r t a b l t y p e t e s t i n ge q u i p m e n t g e h l i n i n l u l e , & u n i v e r s i t yo f t 忧h n o l o g y , n o r w a y , i n1 9 9 6 m a d e b y a l l s t l n i n o k l a h o m a s t a t e u n i v e r s i t y i n t h e u si n1 9 9 8 测试仪器根据实际运行工况，将机房和室外部分连接部分微缩简化而成， 因此所有测试仪器的设计都大同小异，主要包括测量部分、加热( 制冷) 部分、 循环部分、显示部分、记录部分等，其中测量部分包括仪器的进出水温度测量、 闭式环路系统流量测量、加热器功率测量等口“。目前仪器设计发展的趋势有两种， 一种是小而精的便携式，一种是大而全的车载式。在比较复杂的车载式中加入了 补水部分和电源部分。以完善仪器的适应性和可行性。在仪器设计当中有两个关 键点：测量传感器的测量精度和电源供给的稳定性。系统主要靠电力驱动，因此 第1 章绪论 仪器运行的稳定性决定试验结果的可靠性。试验数据的处理方法目前普遍采用的 是线源模型理论，它能简单快捷的得出热物性参数，但结果存在一定的误差，柱 源模型能够更加真实的反映地下运行实际情况，但涉及的边界条件很多，而且计 算非常复杂，很多研究机构也尝试过这种处理方法【3 2 】。 在数据分析上，荷兰通过对实验设备和试验方法的误差分析得出现场测试法 的实验结果的误差范围，和不同的测量时间测得数据结果的差异，提出最佳测量 时间，以及通过试验室法对不同地层岩芯的岩性以深度加权平均的方式得到钻孔 的平均导热系到3 3 】；德国采用线热源模型进行现场测试，得出试验结果的处理方 法和计算公式，比较理论计算值和实际测量值的差异分析 3 4 1 ：美国在此发展比较 全面，在线热源和柱热源模型上都有过深入的分析，通过数字模型模拟得到单孔 和群孔工况下，分析温度的扩散情况，和导热系数随深度变化的情况f 3 5 】【3 6 1 。从 地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。 美国现在的地源热泵市场已经发展的比较完善了，他们从前期勘查到工程设计， 再到最后的工程施工，都有一整套成熟的程序。由于美国的气候条件与中国很相 似，因此研究美国的地源热泵应用情况对我国地源热泵的发展有着重要的借鉴意 义。 1 3 2 国内发展现状 目前在中国，地下水热泵系统已开始广泛使用，而土壤源热泵系统尚处于研 究机构工程摸索和研究阶段【3 7 】。 土壤源热泵的发展主要是从1 9 9 8 年开始。国内数家大学建立了土壤源热泵 实验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行，研究土壤 热物性对系统设计的影响和系统长期运行对地下环境的影响【3 引。其中1 9 9 8 年重 庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管换热器和水平埋管换热器在内的热泵系统，重 点领域在系统正常运行工况下，地温扩散规律和地温累积效应【3 9 】。 1 9 9 8 年青岛建工学院建成了聚乙烯垂直土壤源热泵系统，在方肇洪教授的 带领下，独立研制了便携式的地源热泵土壤热物性测试仪，到现在已开发出第四 代仪器【4 0 1 。此外，青岛建工学院还根据中国地源热泵市场的特点设计出地源热泵 系统设计软件，分析地源热泵对地下温度和地下水的影响】【4 2 1 。 北京工业大学近几年依托其暖通专业的发展，建立地源热泵试验基地。在我 国可再生能源法2 0 0 6 年1 月1 日开始实施以前，凭借“北京工业大学地热供暖 示范工程，“低温地热能梯级利用供热技术研究 ，“北京工业大学地热尾水回灌 试验研究”等项目的实施【4 引，北京工业大学深入研究了低温地热能梯级利用技术 的研究背景，地热能可持续利用对回灌的要求，而且通过软件模拟分析土壤换热 北京工业大学工学硕士学位论文 器设计尺寸的影响因素m 】。 从2 0 0 3 年开始，中国地质大学( 北京) 在其深厚的地质背景下，正式实施 地源热泵地下换热系统的研究工作，先后与北京华清集团和北京市勘察设计研究 院合作，主要研究土壤热物性测试仪器设计、地源热泵系统优化设计、钻孔回填 料配比等方面【4 5 】【l 】，2 0 0 5 年已研制出第一代土壤热物性测试仪，并且在新建的 学校办公大楼中率先采用地下水热泵系统。 2 0 0 8 年东华大学暖通课题组根据热响应原理搭建测试平台，进行土壤的冬、 夏季热响应研究，研究流速及热响应装置输出的单位管长换热量对土壤热响应测 试的影响对同一地点不同埋深的型埋管换热器进行了热响应实验，研究埋深不同 处的土壤导热系数差异。 山东建筑工程学院的方肇洪教授等也研制出了一台现场测试仪。北京华清集 团研制了一台测试仪。但目前研制出的各种测试仪器均只在小范围内使用，并未 形成产品推出，在全国范围内，被地源热泵行业广泛接受的权威性测试设备尚没 有出现。 1 4 热响应测试数据处理的研究现状 热响应法测得的实验数据一般都是某一点处不同时刻的测量温度。所有传热 模型计算结果都是温度以及与温度相关的量，如温度梯度、热流密度等。现在利 用热响应得到的数据计算土壤导热系数，其实是传热问题的逆过程。 现在常用的传热模型有线热源模型、柱热源模型和数值计算传热模型。 1 4 1 线热源模型 1 9 4 8 年，i n g e r s o l l & p l a s s 根据k e l v i n t l 3 1 ，在年1 8 3 1 提出的线源理论建立线 热源模型。该模型把地下换热器看作是一个放热率恒定的无限长线热源，假设周 围的土壤具有恒定热物性，并具有均匀的初始温度，由此给出了任意时刻土壤的 温度分布表达式。对于实际中的变功率问题，可以采用给定时间段内的平均热功 率，进行分段积分计算。 1 9 8 6 年h a r t & c o u v i l l i o n 利用线热源理论【1 4 】，计算出了线热源周围土壤随时 间变化的温度场分布，近似计算出了级大半径名，即是t 时刻线热源的影响范围， 匕= 4 讲，可以认为t 时刻，极大半径以外的土壤温度不受影响，保持为土壤的 初始温度值不变。 - 8 第l 章绪论 1 4 2 圆柱热源模型 1 9 4 7 年c a r s l a w 和j a e g e r 提出了圆柱热源模型【i 习。该模型把地下热交换器 看作是一个具有一定半径的理想圆柱体，以恒定的热流量向周围无限大、常物性 的土壤散发热量，并给出了某一时刻，距离圆柱热源轴线处的土壤温度表达式。 柱热源模型考虑了热源结构大小的影响，比线热源有了较大的改善。在实际 工程应用时，由于计算较复杂，且需要输入的参数增加而导致误差增大，因此在 工程应用中更多的用线热源模型，线热源模型的精度可以满足工程应用的需要。 1 4 3 数值计算模型 线热源模型和圆柱热源模型属于解析法模型，在解决实际的地下换热器传热 问题时，对换热器的结构做了很大的简化。关于地源热泵的计算模型已经开发出 好多种，典型模型有v c m e i ( 1 9 8 5 ) 一维有限差分模型，e s k i l s o n ( 1 9 8 7 ) 多井传 热模型等b 6 】。 a u s t i n ( 1 9 9 8 ) 【1 7 】应用一个二维模型与参数估计法相结合计算出井孔周围土 壤导热系数。模型模拟了管内流体传热过程、钻孔内回填材料的传热过程和周围 土壤的传热过程，并实现了变功率加载，即在每个时间段内加载该时间内的平均 热功率。并且假定型埋管的下降管换热量为总换热量的2 3 ，而上升管换热量为 总换热量的1 3 。调整模型中土壤导热系数值，直到模型计算得到的结果与实验 结果最吻合时，可以认为这个导热系数即为所求。此种方法较复杂，计算量很大， 工程应用较不方便。 1 5 本文的目标及主要工作 1 5 1 本文的目标 本论文提出的主要目标是： ( 1 ) 通过对地埋管换热器与周围土壤的换热分析，确立符合工程应用的线 热源与柱热源模型。 ( 2 ) 开发模拟热泵机组冬季工况和夏季工况的土壤热物性测试装置。 ( 3 ) 开发以线热源和柱热源模型为理论基础的数据处理软件。 ( 4 ) 验证土壤热物性数据处理软件的可靠性以及对数据处理结果进行分析 对比，并分析对实验结果产生影响的可能因素。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 5 2 本文的主要工作 ( 1 ) 对地埋管换热器与周围的土壤换热进行分析； ( 2 ) 线热源模型和柱热源模型的确立； ( 3 ) 冬季工况和夏季工况的土壤热物性测试装置的设计研制； ( 4 ) 数据处理软件的编写； ( 5 ) 模型的可靠性验证及实验结果的对比。 1 5 3 论文的主要成果 本文圆满实现预期的目标：通过对地源热泵地埋管换热器与周围土壤换热的 分析，分别确立了线热源传热模型和柱热源传热模型；分别设计研制了用于模拟 地源热泵冬季工况和夏季工况的土壤热物性测试装置；并且开发了相关模型的数 据处理软件，从而大大的提高了数据处理的速度；通过对实验结果的分析，确定 了线热源和柱热源的适用条件及可能的影响因素。 第2 章士壤热物性参数分析及模型的选择 第2 章土壤热物性参数分析及模型的选择 由于地热换热器与周围土壤的换热比较复杂，需要确定的参数较多，导致了 地热换热器与周围土壤的换热模型比较复杂。在已有的模型中，大多采用简化模 型用于现场测量并确定深层的土壤导热系数，将钻孔内的总热阻作为一个待定 量，而不计钻孔内的具体情况。这样避免了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料物性等参数。但是这种换热模型缺乏严密 的理论根据，显得过于粗糙。为了褥到更为准确的换热模型，本章将对地热换热 器与土壤的换热进行详尽的分析。 2 1 土壤热物性参数分析 土壤的工程地质性质包括土壤的物理性质、水力性质、和力学性质三个方面。 根据地源热泵设计的需要，本文主要研究土壤的物理性质，主要是热物性。 在地源热泵的地埋管设计中我们主要关注的是热物性参数有：热阻、导热系 数、扩散率、体积热容量和土壤的初始温度。 2 1 1 热阻 在进行地埋管换热器的传热分析时，钻孔内热阻的概念可以使传热问题更加 清晰直观。钻孔内热阻计算的正确与否，对于地埋管换热器的设计以及模拟结果 有着重大的影响，关于竖直埋管地埋管换热器钻孔内传热热阻的计算模型，文献 中有不少报道，但是由于该传热问题的复杂性，至今没有形成广泛认可的设计计 算方法。最早也最简单的模型就是用当量直径的单管代替钻孔内实际的u 型埋 管，以回避u 型管的支管与钻孔不同轴而引起的复杂性。这种模型缺乏严密的 理论依据，显得过于粗糙。本文在确定钻孔内热阻时，应用了h e l l s t r o m 给出的 在二维条件下钻孔内有任意根传热管是热阻的解析解。 2 1 2 导热系数 土壤的导热系数表征大地的热传导能力，是地埋管换热器设计的关键参数之 一。现在的许多地埋管换热器设计软件都需要输入准确的土壤导热系数。土壤导 热系数对地埋管前期投资及后期运彳亍的影响在绪论中已经提到。土壤是由不同深 度的岩土层组成，不同岩土层的组成成分有很大差别。因此土壤导热系数并没有 北京工业大学工学硕士学位论文 一个确切的固定值。因此我们测试计算的只是在换热器深度范围内土壤导热系数 的一个有效值。 地下岩土的导热系数不能像测量温度、压强等那样直接测量，而只能根据传 热学理论通过测量温度、热流等进行反向推算土壤传热性能。深层地下岩石导热 系数通常用现场测量的方法来确定。目前，测试应用的地热换热器与周围岩土换 热模型一般较为复杂，需要确定的参数较多，导致出现误差的可能性增大，不利 于工程上推广应用。热反响测试是采用一个简化的传热模型用于现场测量并确定 深层岩土的导热系数，因减小了输入测量参数带来的误差，应用于工程时得到的 结果反而更好。 因此，土壤热物性的测定是十分重要的工作，这也是本文的工作重点。 2 1 3 体积热容量 土壤的体积热容量表征着每1 m 3 的土壤温度升高( 或降低) 1 时所吸收( 或 放出) 的热量。是土壤的一个重要的热物性参数。土壤体积比热容是根据周围土 壤的类型、含水量估算出来的，并当作已知值输入模型计算土壤导热系数。可以 用下式估算土壤体积比热，在取值范围内取一个适中值： 以q = 缸) w 御盖+ 江) 蛳口百1 0 0 - m ( 2 - 1 ) 其中： 卜土壤中水分的质量百分含量： 卯密度和比热的乘积，即体积比热容； 下标s ，w a t e r , d r y s o i l 分别表示土壤，水和干土壤。 由于各种土壤的物质组成成分、密度及含水量不同，使得它们的热容量变化 范围很大。水的热容量是空气的3 0 0 0 多倍，所以影响土壤热容量的主要因素是 土壤中水和空气所占比例。当土壤湿度增大、空气含量减少时，热容量增大；当 土壤湿度减小、空气含量增多时，热容量减小。另外，在土壤含水量不变的情况 下，热容量还随土壤孔隙度的增大而减小。例如砂土的孔隙度大，比热小，土壤 温度易于升高和降低，粘土则相反。文献中指出土壤的体积热容量一般的取值范 围为12 0 0 i c l ( m 3 u ) 3 0 0 0 k j ( m s 功。 2 1 4 热扩散系数 土壤热扩散系数是导热系数与容积比热之比。它反映了土壤传导热量和消除 层间温度差异的能力，由于土壤的含水量和空隙度直接影响着土壤的导热系数和 比热的大小，所以土壤的导温系数也随含水量和空隙度的不同而不同。实验证明， 第2 章土壤热物性参数分析及模型的选择 当土壤含水量由极小增加到1 2 左右时，导温系数增加到最大值，当土壤含水量 继续增加时，虽然导热系数增加了，但比热增加得更快，所以导温系数反而减小 了，有利于土壤传热。 2 1 5 初始温度 不同地区的土壤温度差别很大，对当地土壤温度的精确表述是非常重要的， 因为大地和循环液之间的温差是热传递的动力。地热换热器在运行的过程中，地 埋管周围的土壤温度场将受到影响，把这种因地温变化而引起的换热阻力的增加 与换热量的减弱，称为温变热阻。如果在一年中，冬季从地下抽取的热量与夏季 向地下注入的热量不平衡，多余的热量( 或冷量) 就会在地下积累，引起地下平均 温度的变化。温变热阻将增大，地热换热器的效能将降低。 在进行热响应实验之前先要准确的测定测试土壤原始温度，一方面由于在热 响应测试土壤导热系数时土壤的初始温度是一个重要的输入参数，另一方面土壤 的初始温度也是地源热泵系统设计的重要参量。 2 1 6 小结 在土壤热物性关键参数中，土壤的初始温度可以通过测量获得。体积比热容 可以通过当地参数利用公式计算获得。热扩散系数在体积比热容确定的前提下， 只要确定土壤的导热系数，即可确定。而土壤的导热系数需要测量并进行相关计 算处理才能得到。因此，本文的主要工作是确定钻孔内热阻和测定土壤导热系数。 2 2 进行土壤导热系数测试的必要性 2 2 1 测试导热系数的必要性 不同的地理位置土壤或岩石类型不同。即使在同一地理位置，在整个井孔的 深度范围内，岩土类型、结构也是复杂多变的，很难获得详细的地质结构资料。 另一方面，同一种土壤类型的导热系数取值范围相当大。例如，花岗岩的导热系 数为1 7 3 r e ( m 功3 9 8 w l ( m 动，导热系数取值范围往往比较大。设计地下换 热器时，如果选择的导热系数值过小，则设计出的井孔深度偏大，投资成本大大 增加选择导热系数值过大，则不能保证系统的正常使用要求。在设计当中，设计 师往往优先考虑保证满足正常使用的要求，因此往往造成设计值偏大，资源浪费 因此在当前节约能源与合理利用资源的方针政策下，这种方法是不可行的。鉴于 北京工业大学工学硕士学位论文 此种方法的简单方便性，可用于系统方案设计阶段的粗略估计土壤导热系数，埋 管方式性能比较分析，初步选择设计方案。 另外通过( 2 1 ) 节的分析可知，土壤导热系数是土壤热物性的关键参数， 同时也是最难确定的参数。 由此可见有必要对土壤的导热系数进行测定。 2 2 2 冬季工况导热系数测试的必要性 由于在地源热泵的设计中导热系数测定的重要性，国内外的很多研究机构对 土壤的导热系数进行了测定。但是这些测定大多只进行了模拟夏季工况时土壤导 热系数的测试，对于模拟冬季工况时土壤导热系数的测定还比较少。 土壤是一个包含固、液、气的粒状多孔介质，因此其热物性取决于各组分的 容量比例、固体颗粒大小和排列以及固、液相间的界面关系。表3 1 列举了矿物 质、水和空气导热系数和单位体积热容量的大致数值范围。因为水和空气的导热 系数比矿物质小，所以土壤导热系数将会随着空隙率的增加而减少。导热能力低 的空气量的减少，总导热率增加。另一方面，由于水的比热容较大，当含水量增 加时，岩土的比热容也将增加。因此当土壤含水率改变时，土壤的导热系数亦会 发生变化。 湿土壤中热量传递会引起水分的迁移，在地源热泵的运行工况中，可能出现 换热温度低于零度，水发生相变成为固态的冰。文献 4 7 中的研究显示：土壤 的孔隙率对导热性能影响显著，在孔隙率较小时，干土壤的导热系数和孔隙率呈 负线性关系：土壤的饱和度对导热系数的显著影响，且二者呈正线性关系； 土壤在冻结状态下，饱和度对导热系数的影响较未冻结状态更为显著。冻土的热 传输性能较好，但蓄热性能较差。对于夏季工况及冬季工况，土壤中水分迁移方 向和热迁移方向都不相同。因此埋管周围土壤的导热系数实际值并不相同，由此 可见，分别进行冬季工况的土壤热物性测试是必要的。 表2 - 1 各物质的热物性 t a b l e2 - 1t h c r m o p h y s i c a lp r o p e r t yo fs u b s t a n c e 物质种类 导热系数兄( 聊锄k ) 体积热容量c ( m j m k ) 矿物质 2 72 水 o 64 2 空气 0 0 2 40 0 0 1 3 第2 章土壤热物性参数分析及模型的选择 2 3 线热源模型 自从2 0 世纪5 0 年代开始研究埋管式地源热泵系统起，在传热分析中就广泛 采用k e