（动力工程及工程热物理专业论文）地埋管换热器三维非稳态传热数值模拟.pdf

numerical simulation of three dimensional unsteady heat transfer of the ground heat exchanger a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by jianzhen bao supervised by associate prof. longjian li major: power engineering the computed results shown well consistency with the experimental ones. on this basis, the effects of the thermal properties of the backfill material and structure parameters as well as operating conditions on the heat transfer performance of the ground heat exchanger were systematically investigated and analyzed. the results showed that the thermal properties of backfill material have greater impact on the equivalent thermal conductivity of soil. it was concluded that the thermal conductivity of backfill material should be not lower than that of soil and the specific heat of backfill material is as lower as possible in the design or construction process of the ground heat exchanger. the thermal properties of pipe, flow rate of fluid and borehole depth have less impact on the test results. it was suggested that the ordinary polyethylene pipe is suitably used in the ground heat exchanger, the reasonable flow rate range is between 0.5 m/s to 1.1m/s, and the reasonable borehole depth range is between 60m to 80m. at the same time, the 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii equivalent thermal conductivity can be accurately measured when the tube spacing of u-tube pipe is increased. however, the gradient is very small, the tube spacing of u-tube pipe has smaller impact on the equivalent thermal conductivity of soil. key words: ground heat exchanger, numerical simulation, backfill material, thermal response test 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题背景与意义课题背景与意义 . 1 1.2 地源热泵系统地源热泵系统 . 2 1.2.1 地源热泵简介 . 2 1.2.2 地源热泵的分类 . 3 1.3 岩土热物性测试方法研究现状岩土热物性测试方法研究现状 . 4 1.3.1 土壤耦合热泵地埋管换热器的设计 . 4 1.3.2 岩土热物性测试方法 . 6 1.3.3 岩土热响应测试的数据处理 . 10 1.4 地埋管换热器的理论研究进展地埋管换热器的理论研究进展 . 12 1.5 本文主要研究内容本文主要研究内容 . 14 2 单单 u 型地埋管换热器模型以及数值求解型地埋管换热器模型以及数值求解 . 15 2.1 物理数学模型物理数学模型 . 15 2.1.1 假设条件 . 15 2.1.2 物理模型 . 15 2.1.3 控制方程 . 15 2.2 数值求解模型数值求解模型 . 16 2.2.1 几何模型的建立 . 16 2.2.2 网格的划分 . 16 2.2.3 网格无关性检查 . 18 2.2.4 边界条件的设定 . 18 2.2.5 fluent 中的求解设置 . 19 2.3 模型的验证模型的验证 . 19 3 回填土热物性对地埋管换热器性能及热响应测试回填土热物性对地埋管换热器性能及热响应测试结果结果的影响的影响 . 23 3.1 回填材料的作用回填材料的作用 . 23 3.2 管内流体温度沿程分布管内流体温度沿程分布 . 23 3.3 回填料导热系数对回填料导热系数对 trt 热响应测试热响应测试结果结果的影响的影响 . 25 3.4 回填土比热对回填土比热对 trt 热响应测试热响应测试结果结果的影响的影响 . 28 4 结构与运行工况对地埋管换热器性能及热响应测试结构与运行工况对地埋管换热器性能及热响应测试结果结果的影响的影响 . 33 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4.1 传热流体的速度分布和压力分布传热流体的速度分布和压力分布 . 33 4.2 管内流速对热响应测试管内流速对热响应测试结果结果的影响的影响 . 33 4.3 不同管间距对热响应测试不同管间距对热响应测试结果结果的影响的影响 . 36 4.4 不同埋管深度对热响应测试不同埋管深度对热响应测试结果结果的影响的影响 . 40 4.5 管壁导热系数对热响应测试管壁导热系数对热响应测试结果结果的影响的影响 . 43 5 结论与展望结论与展望 . 46 5.1 结论结论 . 46 5.2 对后续工作的展望对后续工作的展望 . 46 致致 谢谢 . 48 参考文献参考文献 . 49 附附 录录 . 52 作者在攻读硕士学位论文期间发表论文的目录作者在攻读硕士学位论文期间发表论文的目录 . 52 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题背景与意义 随着传统能源的逐步消耗，新能源的开发和利用被世界各国提上议程。新能源 包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核能等，而核能、太阳能即将成为主 要能源。实际上，自 1954 年世界上第一座核电站建成以来，核危机曾不断上演， 1957 年的温德斯凯尔核电站事件，让核电持续几十年都是英国的“政治雷区”， 1979 年美国“三里岛事件”导致美国核电建设停滞，1986 年乌克兰切尔诺贝利核电 站事故酿成的重大灾难则让世人“谈核色变”，日本福岛核电站 2011 年 3 月发生放 射性物质外泄事件，引发各界对爆发一场核灾难的担忧，受此影响，我国暂停批 复核电新项目。所以核电的发展将受到担忧，这就给予了其它新能源产业的发展 机会。 地热能不但是无污染的清洁能源，而且如果热量提取速度不超过补充的速度， 那么地热能还是可再生的，其储量比目前人们所利用能量的总量多很多。2005 年 11 月 29 日国家发改委发布可再生能源产业发展指导目录 ，明确列出了地源热 泵技术作为具备规模化应用的项目。国家先后发布了中华人民共和国可再生能 源法 、 可再生能源中长期发展规划等重要法规和规划，鼓励、扶持开发利用 包括地源热泵在内的可再生能源利用技术。 地源热泵系统工程技术规范 (gb50366-2005)已于 2006 年 1 月 1 日正式颁布执行1。 实际上，自 2000 年以来，我国地源热泵技术进入快速发展阶段。统计数据表 明2，2005 年，我国地源热泵系统的应用面积约为 3000 万平方米，这一数字到了 2007 年上升至 8000 万平方米。截至 2008 年 10 月底，我国浅层地能应用面积超过 1 亿平方米。全国城镇已累计建成节能建筑面积 28.5 亿平方米，占城镇既有建筑 总量的 16.1%。我国地源热泵市场的发展的速度超乎想象，除个别省市、自治区外 全国都在推广地源热泵技术。全国地源热泵系统的应用发展最好的是沈阳，沈阳 地源热泵技术应用面积累计达到 6500 万平方米，占全市供暖面积的 32.5%，北京 也已经安装超过 3500 万平方米。 重庆地处我国夏热冬冷地区，其气候特点是夏季高温闷热，冬季潮湿阴冷， 居住舒适度差。 长期以来由于经济和历史原因， 重庆市 3.38 亿平方米既有建筑 95% 以上未按建筑节能要求设计建造，属高能耗建筑。因此重庆市提出可再生能源建 筑应用工作的重点是：以循环经济为指导，示范引路，以点带面，建立有效的项 目管理体系，“十一五”期间完成淡水源热泵、地源热泵、污水源热泵等可再生能源 建筑规模化应用示范，培育和促进可再生能源产业发展。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 在地源热泵技术中，地埋管的换热性能及岩土热物性是影响地埋管地源热泵 系统效果的关键，也是设计的重要依据。现场岩土热物性测试是合理设计埋管换 热器的基础3，现在国际上通用的岩土热物性测试方法是恒热流法,恒热流法最先 由c. eklof 等4于1996 年提出,是igshpa 的标准和美国采暖制冷与空调工程师学 会(ashrae) 手册所推荐的方法。恒热流法热响应测试(thermal response test, trt)方法中的数据处理是基于线热源模型5，它是地埋管换热器传热分析的基础， 但是现有的线源法模型将管子周围的大地土壤连通回填部分看作是一个无限大的 实体,不能考虑回填料热物性对土壤当量导热系数的影响。 另一方面，地埋管换热器钻孔埋管后回填是地源热泵工程的重要环节，回填 料的选择和施工对地下岩土导热系数有重要影响6。即使同一种岩石或地质成分， 如果回填料的物性差别较大，测得的土壤当量导热系数相差也比较大。kavanaugh s p7研究表明,地下岩土导热系数10%的偏差会造成地下埋管换热器长度(或钻孔 深度)4.5%5.8%的偏差,直接影响地埋管换热器性能及系统的运行费用与初投资。 然而，回填料对岩土当量导热系数影响的定量分析至今还很少，缺乏对工程施工 的理论指导。 数值模拟是研究地埋管换热器性能的有效方法，通过实验的验证具有较高的 精度8。 因此通过数值模拟的方法分析考察回填料物性参数对岩土当量导热系数的 影响，这对于准确预测地埋管换热器的换热能力，为实际工程设计提供科学的理 论依据有重要意义。 1.2 地源热泵系统 1.2.1 地源热泵简介 热泵实质上是一种热量提升装置9，在消耗一部分能量的同时，把贮存在环境 介质中的低温低压热源，提升为高温高压热源，然后加以使用。热泵在运行时， 通过传热工质循环系统，以消耗一部分能量为代价，挖掘环境介质中储存的能量， 而整个热泵装置所消耗的功仅占输出功中的一小部分。 地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源10(也称为地源能，包括地表水、 地下水、土壤等)提供热水以及既可采暖又可制冷的高效节能空调技术。地源热泵 通过输入少量的高品位能源(如电能)，以地热能作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季 采暖供热的低温热源，同时实现建筑采暖、空调和生活热水的三联供。地热能作 为一种可再生能源，采用地源热泵技术可以节约大量高品位能源，该系统比常规 的供热制冷空调系统大约节能 50%。目前许多商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、 学校、医院等建筑物也广泛应用这种无污染、高效节能的新型空调系统。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 1.2.2 地源热泵的分类 地源热泵作为一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的热泵空调系 统。根据低位热源的不同可以分为以下三类11：土壤耦合热泵(gchp)，地下水源 热泵(gwhp)，地表水源热泵(swhp)。 土壤耦合热泵 土壤耦合热泵12是以大地作为热源和热汇，将热泵的换热器埋于地下(即地埋 管换热器)，通过传热介质与土壤进行热量交换，其工作原理如图 1.1 所示。根据 地下埋管热交换器的布置形式，可以分为三类，即水平埋管、垂直埋管和蛇形埋 管。 1 地埋管换热器 2 冷凝器 3 节流装置 4 蒸发器 5 压缩机 6 室内换热器 7 循环水泵 8 换向阀 图 1.1 土壤耦合热泵系统工作原理 fig.1.1 the principle of ground source heat pump 垂直地埋管换热器主要有三种方式：u 型管、套管和螺旋管。通常所采用的是 u 型管的方式，u 型管又有两种布置方式：单 u 型和双 u 型。按换热器的埋管深 度可分为浅层(100m)三种。 水平埋管换热器有单管和多管两种形式， 其中单管水平埋管换热器占地面积最 大，多管水平埋管换热器与单管水平埋管换热器相比占地面积有所减少，但必须 通过增加管长来补偿相邻管间的热干扰，相应的成本就会有所增加。 在场地有限而又需要经济实惠的情况下，可以选择蛇形埋管换热器，和单管水 平埋管相比，其挖掘量较小，只占水平埋管换热器 20%30%,相应的要达到相同 的供暖制冷效果，用管量会明显增加。由于这种方式换热器的优缺点类似于水平 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 埋管换热器，所以有的文献将其归入水平埋管换热器一类。 地下水源热泵系统 地下水源热泵系统技术在土壤源热泵得到发展以前已经广泛应用13， 主要应用 在商业建筑中，而民用中已很少使用。地下水源热泵系统有两种形式：一是闭式 环路，二是开式环路。所谓闭式环路就是通过一个板式换热器将地下水与建筑物 内的水系统隔绝开来。开式环路就是通过潜水泵将抽取的地下水直接送入热泵机 组。 地表水源热泵系统 地表水源热泵系统14就是利用湖泊、江河或海水作为热泵机组的热源或热汇。 通过输配管路和水泵将水体的热量传递给热泵机组或将热泵机组的热量释放到地 表水中。以地表水与热泵机组连接方式的不同，可将地表水源热泵分为两类：即 开式系统和闭式系统两种。开式系统是通过水泵和管道将水输送到热泵机组中进 行换热，然后又通过排水管道将水输送回地表水中。闭式系统是将放置在湖泊等 地表水中的换热器与热泵机组相连，通过换热器内的循环介质进行热量的交换。 由于地球中储存着近乎无限的地热能源，合理利用地源热泵技术使土壤中的 热量收支平衡，即通过传热介质夏天吸收的热量和冬天释放的热量达到平衡，就 可以使得地源热泵系统得到较持续的使用，而且可以节省大量的能源。其应用范 围也相当广泛，可供热、供冷和提供生活热水等，同时，没有燃烧和排烟，可以 起到很高的环保效益。 1.3 岩土热物性测试方法研究现状 1.3.1 土壤耦合热泵地埋管换热器的设计 土壤耦合热泵系统是通过垂直埋管换热器与岩土体进行热量交换。埋管材料 一般为化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数较大，流动阻力小的塑料管材及管件， 通常为聚乙烯管(pe80 或 pe100)或聚丁烯管(pb)。 由于钻孔的费用占整个热泵系统 费用的 40%左右，因此钻孔长度必须进行合理的设计。 地源热泵系统工程技术规 范 局部修订的公告中指出15： 地源热泵系统的应用建筑面积在 5000 平方米以上， 应利用岩土热响应测试结果进行地埋管换热器的设计。规范中还指出钻孔内回填 料的导热系数应大于钻孔周围岩土体的导热系数。另外，地埋管换热器在冬季运 行期间，不添加防冻剂进口最低温度以高于 4为宜，夏季运行期间，出口最高温 度以低于 33为宜。 在制冷工况下，竖直埋管换热器钻孔的长度按照下式计算： eer eer tt frfrrrrq l cspcsbpefc c 1 11000 max (1.1) 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 式中 c l制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度(m)； c q水源热泵机组的额定冷负荷(kw)； eer水源热泵机组的制冷性能系数； max t制冷工况下， 地埋管换热器中传热介质的设计平均温度， 通常取 3336； t埋管区域岩土体的初始温度()； c f制冷运行份额， 2 1 c c c t t f ； 1c t一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时， 1c t为最 热月份水源热泵机组的运行小时数(h)； 2c t一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时， 2c t为最热月份的小时数 (h)； 在供热工况下，竖直埋管换热器钻孔的长度按照下式计算： cop cop tt frfrrrrq l hsphsbpefh h 1 11000 min (1.2) 式中 h l供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度(m)； h q水源热泵机组的额定热负荷(kw)； cop水源热泵机组的供热性能系数； min t供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取-26； t埋管区域岩土体的初始温度()； h f供热运行份额， 2 1 h h h t t f ； 1h t一个供热季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时， 1h t为最 冷月份水源热泵机组的运行小时数(h)； 2h t一个供热季中的小时数，当运行时间取一个月时， 2h t为最冷月份的小时数 (h)； f r传热介质与 u 形管内壁的对流换热热阻(mk/w)， kd r i f 1 ； k传热介质与 u 形管内壁的对流换热系数w/(m2k)； b r钻孔灌浆回填料的热阻(钻孔热阻)，(mk/w)； kdd d dd d d r d d r ii o pb b sb sbb o b b b 1 ln 2 1 lnlnln 2 1 2 1 44 4 (1.3) pe ru 形管的管壁热阻(mk/w)， ioe e p pe ddd d rln 2 1 (1.4) p u 形管导热系数w/(mk)； 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 o du 形管的外径(m)； e du 形管的当量直径(m)； oe dnd ，对单 u 形管，n=2；对双 u 形管，n=4； d单 u 埋管间的中心距，认为埋管对称分布，m。 sp r短期连续脉冲负荷引起的附加热阻(mk/w)， p b s sp a r ir 22 1 (1.5) p 短期脉冲负荷连续运行的时间，例如 8h。 s r钻孔外周围土壤的导热热阻，(mk/w)； 对于单个钻孔： a r ir b s s 22 1 (1.6) 对于多个钻孔： n i ib s s a x i a r ir 222 2 1 (1.7) i指数积分公式， ds s e ui u s 2 1 ，当时间足够长时， s ssb i cd eui 16 2 ； s 岩土体的平均导热系数w/(mk); a岩土体的热扩散率(m2/s)； b r钻孔半径(m)； 运行时间(s)； i x第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离(m)； 从设计计算的公式来看， b r、 s r、 sp r都不能直接利用已知资料或数据进行 计算，都涉及到岩土热物性参数 s ，因此进行岩土热物性测试对埋管换热器长度 的设计至关重要。 1.3.2 岩土热物性测试方法 岩土的热物性测试是地源热泵系统设计的关键部分，与地源热泵系统设计有 关的岩土的热物性参数主要有导热系数、比热等。其中，岩土的导热系数系数是 衡量地埋管换热器换热能力的重要参数。一般来说，用于测量岩土导热系数的方 法主要有四类16，即查表法、稳态热流法、非稳态热流法以及现场热响应测试法 等。 查表法 查表法一般也称为经验估算法17，它是指在施工现场的钻孔取样，然后确定 所采集样品的岩土类型，再对照岩土热物性参数表，从中查取相应的导热系数。 此方法的使用很简单，但是在不同地点岩土的类型和含水量等不同，即使在同一 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 地点，在整个钻孔的深度范围内，不同深度岩土类型和含水量也可能有很大的变 化。因此，在地埋管换热器设计中按照一个或几个钻孔中所取样品来确定岩土热 物性参数必然带来不准确性。另一方面，即使对于同种类型的岩土，其参数取值 范围也较大，如湿页岩，其导热系数为1.4-2.4w/(m.k)，比热为2500-2900 j/(kg.k)， 致密沙土(含水量15%)，其导热系数为 2.8-3.8 w/(m.k)。可以看出，参数的选取会 严重影响地埋管换热器设计，若选择的导热系数过大，则设计的深度偏小，钻孔 数量偏少，难以保证地源热泵系统的正常使用；若选择的导热系数过小，将导致 设计深度偏大，钻孔数量偏多，大大增加了投资成本。因此，通过这种方法来确 定岩土的热物性，不适用于大型的地源热泵系统设计，可以用于小型的别墅或其 他面积较小的单体建筑。 稳定热流法 稳定热流法是一种实验室测定法18，测定方法可分为比较法、热流计法、圆 球法和平板法等四种。它们都是基于稳定热状况的原理，即在测试样品的两面保 持恒定的温差，当测试样品内各点的温度不随时间变化后，通过测定样品中的温 度梯度，用傅立叶导热定律就可求得导热系数。这种方法的优点是精度相对较高、 原理简单、计算简便。但是试验时间较长，一般需要持续几个小时才能完成，而 且这种方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，因而实验时要采取相应措施以减小径向热量损失，同时，要尽量减小待测样 品的厚度。常用的热流法是稳态平板法，如图1.2所示。 图 1.2 稳态平板法样品的放置方式和测定仪器 fig.1.2 steady-state placement of the sample plate method and measuring instruments 用稳定热流法对采集钻井样品进行实验室测试时，由于所采集的岩土样品含 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 8 水量和结构很可能发生很大的变化，导致其热物性参数也随之发生变化，其结果 也会有很大误差，所以，这种方法不适宜于测定有湿份的材料。1963年19，美国 材料与实验协会对用稳态平板法测量岩土有效导热系数的方法进行了规范。 非稳定热流法 非稳定热流法20是在待测介质中引进一个具有一定几何形状的热源，通过测 量热源附近介质和热源表面温度随时间的变化，来计算导热系数。由于此种方法 测量时间短而且测量精度可以与稳态法相当，近些年得到了较快发展。非稳态法 热流法可分为有探针法、平板准稳态法和瞬态热丝法等三种，其中探针法应用范 围较广。 1833年德国一位物理学家首次提出了探针法21，20世纪五十年代hooper f. c. 和lepper f. r. 把这种方法应用在测量岩土的导热系数上，1992年22，美国材料与 实验协会提出了用探针法测定岩土导热系数的测试标准。近年来，各个国家针对 非稳态热流测试方法也展开了很多的研究，加拿大和美国分别采用圆柱探针法和 平板法进行了现场和室内测试； pribnow e.和huenges e. 23 等人对从钻孔取得的岩 石试样和碎屑进行直接测量，较准确地测得其导热系数。 在国内24 25，天津大学的余乐渊采用热线法对土壤的导热系数进行了测量； 吉林大学的孙友宏、庄迎春等利用平板探针法，测试了不同配比回填材料的导热 系数；西安交通大学的孟凡凤、李香龙，利用探针测定了土壤的导热系数；中科 院地质与地球物理研究所的刘彤和苏天明等人通过对南京地区土体样品比热容、 导热系数、含水量、孔隙比等参数的测试，提出了根据土体含水量计算比热容值， 根据含水量、孔隙比值计算导热系数的经验公式。除此之外，中国矿业大学，石 油大学，同济大学也进行了还有很多类似的研究。 利用探针法测量地埋管换热器周围岩土的导热系数时26，由于探针的长度一 般只有0.1-0.4米长，探针加热的时间也很短，只有探针周围的一小部分才能起到加 热的效果，所以测试结果也只是反应了探针周围岩土的导热系数。而一般而言， 钻孔的深度大多在50米到200米，在整个深度方向上分布着不同的土壤层，而每层 的导热系数也是有所差异的，因而利用探针法测试的结果不能代表钻孔周围岩土 的真实导热系数。 现场热响应测试法 随着地源热泵技术的发展，由于对地埋管换热能力预测的偏差引起的换热效 果不理想或投资成本过高等问题越来越明显，寻求一种更准确更合理的测量岩土 的导热系数的方法越来越重要。目前，国内外许多地源热泵的研究者们普遍采用 一种现场测试岩土热物性参数的方法，即 trt 热响应测试法。 热响应测试最初是由瑞典的 mogensen27于 1983 年命名并提出，以无限长线 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 9 热源理论为原理提出的一种用于现场确定地埋管换热器周围岩土的导热系数和钻 孔热阻的方法。1996 年,eklof 等28利用同样的方法探讨并研制了第一台移动测试 设备 ted ，随后美国、韩国、加拿大、德国、英国、挪威、土耳其等国家也研究 制造了各自的测试装置，原理功能等都与 ted 相类似；荷兰和德国29从 1998 年 开始就一直致力于研制热响应测试仪的的土壤力学实验室并于 2005 年研制成功 小巧简易、方便携带的热响应测试仪。国内对热响应测试的关注始于 2000 年，有 关科研院所和企业单位基于工程的需要纷纷开始研制岩土体热物性测试仪，研制 的设备有大型移动测试车、电加热小型便携测试仪等。在理论研究方面也有了较 多的成果30 31并于 2009 年 3 月 7 日召开了“地埋管换热器热响应试验测试仪应 用研讨会”对热响应的测试内容、工况、方法、测试工作等问题予以讨论。 目前主流的热响应测试方法有两种，恒热流和恒温法32。这两种方法的应用 都比较广泛，但也是争论最大的问题。两种方法的基础理论是不同的，“恒热流法” 是根据温度求岩土热物性， 是一个瞬态传热问题的反问题； “恒温法”是预设一个温 度，测该温度下岩土的导热量，属于稳态导热的正问题。它忽略了岩土换热能力 随时间变化的因素，测得的延米换热量只是系统最初运行时的换热能力。随着地 埋管系统的长时间运行，换热能力必然减小，这样会导致系统设计长度较小，达 不到设计时的要求。此种方法不是本文讨论的重点，不在赘述。 用恒热流法测试岩土的热物性是我国标准技术规范所推荐的方法，也是国际 上的通行做法。恒热流法33是以恒定的加热功率加热载热流体，循环泵促使流体 在地埋管内流动，同时与岩土进行热交换，通过记录时间和测量进出口流体温度、 流量，利用不同的传热模型进行传热逆运算，得到岩土的等效热物性及钻孔热阻， 然后根据测量得到的热物性参数设计埋管长度。虽然一般要经过数十小时的测量， 相对成本较高，但是现场岩土热物性测试是合理设计埋管换热器的有效方法，对 于大型的地源热泵系统工程显得十分必要。 热响应测试原理图和示意图如图 1.3 和 图 1.4 所示。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 10 图 1.3 热响应测试装置原理图 图 1.4 热响应测试示意图 fig.1.3 thermal response test equipment fig. 1.4 schematic diagram of thermal schematic response test 现场热响应测试法对于正确设计地下换热器系统是非常重要的，其主要优点 在于与常规的在试验室中测得的结果相比，它是直接在地下钻孔换热器中进行测 量的，综合考虑了地下不同岩土层的热物性及钻孔深度在内的其它影响因素，其 得出的数值更真实有效，对于设计地下换热器系统来说更具有价值。但也存在一 定的问题：首先测试设备标准化问题，由于目前岩土热物的性测试仪器都是自行 研制，测试的差别很大，测试仪器有些地方还不科学，有待改进；其次岩土原始 平均温度的测量，有些学者推荐在不加热的情况下循环水泵运行 20-30 分钟，就认 为达到了岩土的初始平均温度。而规范中要求采用布置温度传感器的方法，以不 大于 10 米的间隔，以各测点实测温度的加权平均值做为岩土初始平均温度；最后 是热响应测试时间长度，热响应测试时间长度一直是争论热点话题，美国采暖制 冷与空调工程师学会(ashrae)要求热物性的测试时间应为 36-48 小时，国际地源 热泵协会(iea)的指导意见是大于 48 小时。 1.3.3 岩土热响应测试的数据处理 岩土热响应测试的数据处理方法不同，目前大家比较公认的模型是线热源模 型。因为工程上常见的埋管换热器的直径一般 26-36mm，钻孔深度 60-150m，与 埋管深度相比，埋管的直径很小，土壤在换热器工作时，相当于半无限大介质， 钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行热交换。模型假设：钻孔周围岩土均匀(设 计所需是平均参数)；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，沿长度方向传热量忽略不计；埋管与周围岩土的换热强度维持 不变(可以通过控制加热功率完成)。 线源模型34是 1948 年 ingersoll 和 plass 等人发 展的 kelvin 线热源理论，目前大多数地源热泵的设计计算及埋管传热模型均是以 循 环 水 泵 加热器 自钻孔 加热器 测量装置 至钻孔 测量装置 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 11 该理论为基础，由于线热源模型是把换热器看做一个热源来处理，不受具体的换 热器形式的限制，计算起来较简单，且能满足一般工程中地源热泵系统设计计算， 具有较广泛的实用性。 线热源周围岩土温度随时间和空间的变化的关系如下35： ) 4 ( 44 ),( 2 100 4 2 at r e h q tdu u e h q ttrt s u s t r (1.8) 式中：),( trt为距线源r处t时刻的温度，； 0 t为原始岩土温度，；q 为加热 功率，kw；h是埋管的深度，m； s 是岩土的导热系数，）（ kwm/； 1 e为指数 积分，du u e e x u 1 ；a是热扩散率， ss s c a ， 12 sm， ssc 是岩土体积比热容， )k/( 3 mkj。 当x较小时，. ! 44! 33! 22 ln 432 1 uuu uue，式中5772. 0， at r u 4 2 。由于方程计算比较复杂，对线源模型做了进一步的简化， u e 1 ln 1 ， 当 a r t b 2 20 最大误差小于 2.5%，当 a r t b 2 5 最大误差小于 10%。将其带入(1.8)得： ) 4 ln( 4 / 4 / ),( 2 0 4 0 2 r athq tdu u ehq ttrt st r u s (1.9) b rr 时钻孔壁温度 b t，引进钻孔内的热阻 rb，则 rb与 b t存在如下关系： bb r h q tttt (1.10) 其中， 2 outin tt t ， in t、 out t分别是埋管换热器的进出口温度，因此可以得到流 体的平均温度： 0 2 4 ln 4 1 )ln( 4 / )(t r at r h q t hq tt bs b s (1.11) 当 q=const，该方程为对数时间的线性方程： btktt)ln()( (1.12)