（环境工程专业论文）地源热泵热响应试验方法优化及应用.pdf

中文摘要 随着我国建筑业的持续发展，对建筑节能的要求也越来越高。减少我国冬季 采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是建筑节能和暖通 空调工作者一直追求的目标。研究和使用节能环保的采暖空调技术成为实现这一 目标的重要手段之一。 地源热泵空调系统通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源， 冬季从大地吸收能量，夏季向大地放出能量，再由热泵机组向建筑物供热供冷， 是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的节能空调技 术。尤其是其节能环保的特点，与当前国家所倡导的建设节约型和谐社会总目标 相吻合，可以预期该项技术将在中国得到长足的发展。 在地水源热泵系统中，土壤换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时 也是该项技术研究的核心和应用的基础。本文在前人研究的基础上，以安定医院 空调系统作为工程实例，采用打测试井实测，并对实测数据进行整理分析的方式 进行热响应实验，通过分析土壤导热性能，得出该工程地下垂直埋管深度、间距 等数据，对空调系统设计进行校核与优化。 通过安定医院地源热泵系统测试井的实验，获得了此工程的地下土壤的初始 平均温度取为1 5 0 ，地下平均导热系数入为1 6 9 8 w m k 。根据获取的土壤导 热性能参数以及本工程实际的负荷情况，通过地源热泵地下换热器软件g l d 计 算，同时结合e a r t he n e r g yd e s i g n e r2 0 软件，对地下换热器运行2 5 年进行温度 模拟，进行地下热不平衡预测，最终得到了本工程需布置8 4 0 个地下换热器，其 形式为双u 型，竖直埋设，矩形布置，平均间距5 m ，有效深度1 2 0 m 。 通过本课题的研究，提出了一种热响应实验的优化方法，通过此方法获取土 壤导热性能参数，并对设计进行校核与优化的方法，同时对该工程实例进行经验 总结，希望对其它工程有所帮助。 关键词：地源热泵土壤换热器优化 a b s t r a c t m ht h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n to fc h i n e s ea r c h i t e c t u r e t h er e q u i r e m e n tt o t h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r r e d u c i n gt h ea i r p o l l u t i o nb yd o w ns i z i n gt h ee n e r g yu s a g eo ft h ea i rc o n d i t i o ns y s t e mi nw i n t e rf o r h e a t i n gh a sb e c o m e t h eg o a li na l lb u i l d i n ge n e r g ys a v i n ga n dh v a cs t a f f sh e a r t g r o u n da n dw a t e rr e s o u r c eh e a tp u m ph e a t i n ga n da i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sa h i g he f f i c i e n tr e c y c l i n g ，n o n - p o l l u t i o nt e c h n i q u ew h i c hc a nb o t hp r o v i d ec o o l i n ga n d h e a t i n gt oab u i l d i n g i tw o r k sp r o c e s sa s ：a a b s o r b i n gh e a tf r o me a r t hi nw i n t e rt o p r o v i d eh e a tt ob u i l d i n g ；b r e l e a s i n gh e a tt oe a r t hi ns u m m e rt oa b s o r bh e a tf r o m b u i l d i n g b o t haa n dbp r o c e s sw e r et r i g g e r e db yt h eh e a tp u m pm a c h i n es y s t e m t h e c h a r a c t e r i s t i co fi t se n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sa c c o r d i n g w i t ht h en a t i o n a lg o a lo ft h eb u i l d i n ge n e r g ys a v i n gh a r m o n y s o c i e t y , s oi t i se x p e c t e d t oh a v eab r i g h tf u t u r ei nc h i n a t h eh e a te x c h a n g e rr e s e a r c hi sa l w a y st h em o s td i f f i c u l tp o i n to ft h eg r o u n d r e s o u r c eh e a tp u m ps t u d yw h i l ei ti st h eb a s ea n dc o r et e c h n i q u ef o ra p p l i c a t i o n b a s e do nt h ef o r m e rs t u d y , t h i sp a p e rs e ta n d i n gh o s p i t a la sa ne x a m p l e ，d i dah e a t r e s p o n s i v et e s tb ys i n k i n gw e l la n da n a l y z i n gt h ed a t a w i t ht h ea n a l y s i st ot h ee a r t h h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sp a p e rh a sd o n eac a l i b r a t i o na n do p t i m i z a t i o nt ot h e w e l ls i n k i n gp r o j e c ti nt h ea s p e c to fw e l ld e p t h , d i s t a n c e e t c 、m t ht h et e s tf o rt h ew e l lo fa n d i n gh o s p i t a lh e a tp u m ps y s t e m , t h ed a t af o rt h e o r i g i n a lu n d e r g r o u n de a r t ha v e r a g et e m p e r a t u r ei ss e ta s15 0 c ，t h ea v e r a g ee a r t h h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 九i ss e ta s1 6 9 8 w m k c a l c u l a t i o nw i t ht h eg r o u n dr e s o u r c e p u m ph e a te x c h a n g ec a l c u l a t es o f tw a r ee a r t he n e r g yd e s i g n e r2 0 ，t h i sp a p e rg e tt h e r e s u kt h a tt h e r es h o u l db e8 4 0u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r ，t h es t y l es h o u l db ed o u b l e u ，v e r t i c a lb u r y i n g ，r e c t a n g u l a ra r r a n g e m e n t ，t h ea v e r a g ed i s t a n c ei s5 m , e f f e c t i v e d e p t hi s 12 0 m a tt h es a m et i m e ，t h e2 5 y r st e m p e r a t u r es i m u l a t i o nf o rt h e u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e rw a sc o n d u c t e dt op r e d i c tt h eu n b a l a n c eh e a td i s t r i b u t i o n w h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h es y s t e me f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t w i t ht h es t u d yo ft h i st o p i c a no p t i m i z e dh e a tr e s p o n s i v et e s tm e t h o dw a s p r o v i d e d t h ee a r t hh e a tt r a n s f e rp a r a m e t e rw a sg e tf r o mt h et e s t b a s e do nt h er e a l p r o j e c te x a m p l e ，t h es y s t e mw a sc a l i b r a t e da n do p t i m i z e d ；i tw i l lb eh e l p f u lt oo t h e r p r o j e c t s k e yw o r d = g s h p , g r o u n d h e a te x c h a n g e r , o p t i m i z i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表， 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入市关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：篓乞 导师签名： 签字日期：胡年 7 月歹日 签字日期： 年月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 地源热泵的应用背景 第一章绪论 能源和环境问题是当代人类面临的两个重大社会问题。能源是促进经济发展 的动力，是人类发展的物质基础，但是随着世界经济和人口的迅速增长，能源消 耗急剧增加i 。能源的过度开发与消费累积的效应，产生了制约经济发展和影响 人类生存的环境污染问题，温室气体排放所引起的气候变化己对全球生态和人类 社会发展构成了严重挑战。 据统计，在发达国家，建筑能耗一般占全国总能耗的3 0 一4 5 【z 】。所谓建筑 能耗，是指建筑使用过程中所消耗的能量，主要包括采暖、通风、空调、照明、 炊事、家用电器和热水供应等方面的能耗，而其中采暖和空调的能耗占建筑能耗 的一半以上。建筑节能已经成为世界节能主题的主流之一，作为当今世界建筑技 术发展的重点之一，建筑节能技术日益为世人所瞩目。 节能的核心是提高能源效率，即为终端用户提供的能源服务与所消耗的能源 数量之比。而建筑节能则是指在建筑中合理使用和有效利用能源，不断提高能源 利用率，减少常规能源的消耗。要解决建筑节能问题，一方面，要严格执行建筑 节能设计标准，从建筑物本身即源头入手，减少建筑负荷；另一方面，积极采用 地源热泵等可再生能源利用技术，提高供能系统的能效，最大限度地减少常规能 源的消耗。 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源( 也称地能，包括地下水、土壤或地 表水等) 的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高 品位能源( 如电能) ，实现低位热能向高位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖 的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后， 供给室内采暖：夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。通过地源热泵系统 进行采暖，比传统的燃煤、燃气采暖方式能源利用率高，是建筑节能的有效技术 手段之一f 3 1 。 1 1 2 地源热泵技术的节能原理 热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空 调系统一般应满足冬季的供热和夏季的制冷两种相反的要求。传统的空调系统通 天津大学硕士学位论文第一章绪论 常需分别设置冷源( 制冷机) 和热源( 锅炉) 。建筑空调系统由于必须有冷源， 如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投 资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问趔4 1 。 采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接 煤、石油、天然气产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和 供热管线没有热损失的理想情况下，为建筑物供热的热量与燃料发热量之比最高 不会超过1 0 0 。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电能驱动 热泵从周围环境中吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分 利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供热的一次能源消耗。在现有的技术条 件下，热泵供热的性能系数( 供热量与消耗电量之比) 可达3 5 或更高，火力发 电站的效率可达3 5 - 4 0 。因此采用燃料发电再用热泵供热的方式，在现有技 术条件下，为建筑物供热的热量与燃料发热量之比超过1 2 0 。故采用热泵的供 热方式与直接燃烧矿物燃料的供热方式相比，可节约燃料并相应减少c 0 2 的排放 量，达到节能环保的效果。 1 2 地源热泵系统组成与分类 地源热泵系统一般由三个子系统组成：热( 冷) 源系统、热泵机组、热( 冷) 分配系统( 包括需要的热水供应系统) 。例如，对用于建筑采暖空调的地源热泵 系统主要包括：室外地源换热系统、水环管路与水源热泵机组以及室内采暖空调 末端系统。其中热( 冷) 源系统包括地下水、江河湖海水、岩石和土壤、城市污 水、工业污水；热泵机组为活塞、螺杆、涡旋式热泵机组；末端为空调机组、风 机盘管、地板盘管、毛细管辐射盘管等等。 根据地下换热系统形式的不同，地源热泵可以分为三种类型：闭环系统、开 环系统与直接膨胀系统。对于一定地区，地下换热方式的选择主要取决于水文地 质结构、有效的土地面积和系统生命周期费用。 1 2 1 闭环系统 闭环系统指的是通过水或防冻液在预埋地下的塑料管中进行循环流动来传 递热量的地下换热系统。闭环系统的具体形式有：垂直环路、水平环路、螺旋盘 管环路与池塘湖泊环路，还有一种与建筑桩基相结合的桩埋管换热器。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 1 垂直环路 由高密度聚乙烯管组成，这些管环放在直径1 0 0 1 5 0 m m 的垂直管孔中，井 内埋设u 型管或者同心套管，具体长度取决于土壤热特性。所有垂直管孔要用 膨润土( 黏土) 灌浆。可采用两种系统类型：并联式系统和串联式系统。并联式 系统所用管径较小，管环长度较短，所需水泵扬程较低，可用较小的水泵，运行 费用较少1 5 j 。一般地，大多数用户都选择并联式系统。 垂直环路系统更多地用于土地面积有限、水位较深以及地下为岩石层或岩石 地层的地方，是商业用途中最常用的系统形式。 1 2 1 2 水平环路 将横管放在深度约为1 2 3 o m 深的水平管沟内，比垂直埋管可节省费用 2 5 - 3 0 。由于受地表温度年波动的影响，环路长度需增加1 5 一2 0 。管沟长 度取决于土壤条件和管沟中的管子数量。该方式常用于住宅，适用于土地丰富， 而且具有较高地下水水位的地区。 1 2 1 3 螺旋管环路 一种形式是多管水平环路的改进，另一种形式是在窄小的垂直管沟中沿高度 方向布置螺旋盘管，通常适用于冷量较小的系统。如果工程设计恰当，将与垂直 环路和水平环路一样有效。 1 2 1 4 池塘湖泊环路 一般地，为使系统运行良好，池塘的大小必须在4 0 0 0 m 3 以上，深度超过4 6 m 。 这类系统的安装费用不高。管环为盘管状，连接到公共联箱上，然后将它漂浮到 池塘或湖泊中，充水后即会沉入水底。这种系统即使水面冬季结冰，仍能正常运 行。 1 2 1 5 桩埋管环路 指利用建筑桩基或在混凝土构件中充满液体的管道系统，奥地利在2 0 世纪 8 0 年代末期已将该技术用与建筑采暖和降温。 1 2 2 开环系统 天津大学硕士学位论文第一章绪论 开环系统通常指利用传统的地下水井传递地下水中或地下土壤中热量的地 源热泵系统。此外，地表水热泵中的池塘或湖水直接利用系统也属开环系统。开 环系统有许多特殊因素要考虑，如水质、水量、回灌或排放问题。 不过应注意的是，地下水源的应用要获得当地水资源管理部门的许可。尽管 存在这些问题，开环系统仍在很多地区得到了合理的应用。地下水系统通常比地 埋管系统造价低，在接近地表有丰富地下水的区域，由于地下温度恒定，这类系 统都有很高的效率。开式系统的日常维护比闭式系统多，通常需要定期清洗换热 器，保持水井产量。 1 2 3 直接膨胀式系统 该系统直接将装有制冷剂的铜管埋入地下取热。铜管可以垂直埋也可以水平 埋。在砂质、黏质或较干土壤中不宜采用垂直埋设。由于地下埋管是金属管，容 易受腐蚀。 1 3 地源热泵技术的发展与研究现状 1 3 1 国外的发展与研究现状 1 3 1 1 地源热泵技术的发展 2 0 世纪3 0 4 0 年代，英国、美国等国已进入了热泵的研制开发阶段。第二 次世界大战后，美国许多大公司同时发展了各种热泵，其中以小型热泵空调器发 展最为迅速，出现了发展热泵的高潮1 5 j 。与此同时，西欧各国，如比利时、法国、 联邦德国、瑞士等也致力于热泵的研究与开发。尽管西欧国家的气温和潮湿适合 采用热泵供暖，但其夏季气温偏低不需空调降温，因此在这此国家里，自第二次 世界大战后，主要与集中供热相结合，发展了一些单一供热的大型热泵，对冷热 两用的小型家用和中型商用热泵却未能引起生产商和供电企业的兴趣与重视。在 2 0 世纪4 0 5 0 年代之间，美国和欧洲对地源热进行了研究，如对地源热泵运行 的实验研究、埋地盘管的实验研究、埋地盘管的数学模型以及土壤的热物性测试 方面的研究等。但是由于金属埋管耗量大、占地面积广、初投资成本高、传热过 程计算复杂、土壤对金属的腐蚀等原因，使得地源热泵的广泛使用受到了限制。 1 9 7 3 年世界能源危机的出现，石油价格猛涨，对能源的需求越来越紧迫， 节约能源的需求越来越高。这一新的需求为地源热泵的推广应用起到了重要的推 动作用，掀起了利用地源热泵对建筑进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高 - 4 _ 天津大学硕士学位论文第一章绪论 潮，技术逐渐趋于成剥卜训。1 9 7 6 年，苏联、丹麦、瑞典、挪威等国都加入了国 际地源热泵协会( i g s h p a ) 。北美、日本、欧洲的制造厂家为工业、商为建筑和 公共建筑提供了大量的热泵，国际能源机构( i e a ) 等国际组织制定了发展热泵 的计划。不少新技术在新领域的试验及推广应用工作在进行和规划之中。热泵的 用途在不断拓宽，应用范围也从单独民居的空调向较大型的公共建筑扩展。所以， 热泵技术在以后的几年里得到了迅速的发展。对地源热泵，人们做了许多试验研 究。此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管，解决了土壤对金属管的腐蚀问 题，计算机的发展又为计算和设计地源热泵带来了极大的便利条件。这个时期， 欧洲建造了不少水平埋管地埋管换热器的地源热泵工程，但主要用于冬季供暖。 欧洲在2 0 世纪8 0 年代初先后召开了5 次大型的地源热泵的专题国际学术会 议。瑞典已安装了1 0 0 0 多台( 套) 土壤源一水热泵装置1 1o j 。这些工程实例主要 是用于小型住宅或别墅的地源热泵工程。美国从2 0 世纪8 0 年代初开始，在能源 部( d o e ) 的直接资助下由橡树岭和布鲁克黑文等国家实验室( o r n l b n l ) 和俄 克拉荷马州立大学( o k l a h o m as t a t eu n i v e r s i t y ) 等研究机构开展了大规模的研究， 为地源热泵的推广起到了重要的作用。1 9 8 1 年，田纳西大学安装了水平地埋管 地源热泵，同时俄克拉荷马州立大学以及一些能源机构等也都对地源热泵进行了 研究。这一时期的主要工作是对地埋管换热器的地下换热过程进行研究，建立相 应的数学模型并进行数值仿真1 1 1 j ，这些成果反映在j e b o s e 、j d p a r k e r 、p d m e t z e 及v c m e i 等人的论文和研究报告中。这一阶段的成果最终体现在几本a s h r a e 出版的设计安装手册中。 1 3 1 2 理论与应用研究 早期的地源热泵研究主要集中于岩土的传热性质、地埋管换热器形式、埋管 的影响因素等方面。2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初，美国开展了冷热联供地源热 泵方面的研究工作，不少文献报道了地源热泵不同形式的地埋管换热器的传热过 程计算机模拟计算方法。地埋管换热器的设计计算模型据不完全统计约有3 0 种。 总体来说，理论解可以归结为基于无限长线热源模型或者基于无限长圆柱模型。 还有用数值计算方法来分析研究地埋管换热器的传热器的设计计算，现在瑞典的 学者、美国供热冷空调工程师协会( a s h r a e ) 、美国和加拿大的一些大学和公司 都分别提出了各自的设计计算方法。它们都是基于不同的模型或计算方法得出 的，如美国供热冷空调工程师协会( a s h r a e ) 采用的设计、模拟软件是基于k e l v i n 的线热源模型1 2 】。由于这一传热过程涉及的物理模型很复杂，涉及的因素也很多， 因而使得现有的各种设计计算方法得出的结论往往相差很大。涉及的因素也很 多，因而使得现有的各种设计计算方法得出的结论往往相关很大。有代表性的理 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 论主要有以下三种： 1 ) 1 9 4 8 年，k e l v i n 的线热源理论。目前大多数地源热泵设计是用该理论作 基础，如国际地源热泵协会和俄克拉荷马州立大学提出的设计方法都是 以k e l v i n 的线热源理论为基础的。 2 ) 1 9 8 3 年，b n l 修改过的线热源理论。它是将埋管周围的岩土划分为两个 区即严格区和自由区，在地源热泵运行时，不同区域之间的热传导引起 区域温度的变化。 3 ) 1 9 8 6 年，v c m e i 提出的三维瞬态边远界传热模型。该理论是建立在能 量平衡的基础上，由系统能量平衡结合热传导方程构成，有别于线热源 理论。 岩土热物性测试理论与方法一直是地源热泵研究的一个重点。因为岩土热物 性是地埋管换热器设计的基础数据。在计算地埋管换热器的传热能力时，必须用 到地下数十米甚至更深地层的热物理性质数据。岩土层热物性的地域性强，不同 区域、不同土层深度、不同的地质构造，热物性也都不一样。同时与现场安装情 况密切相关。目前主要有现场测试与实验室测定两种方法。较为准确地确定地层 热物理性质一直是地源热泵研究的热点之j 1 3 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，地源热泵的研究热点依然集中在地埋管换热器的换热 机理、强化换热及热泵系统与地埋管换热器匹配等方面。与前一联合体单纯采用 的线热源传热模型不同，最新的研究更多地关注相互耦合的传热、传质模型，以 便更好地模拟地埋管换热器的真实换热状况；同时开始研究采用热物性更好的回 填材料，以强化埋管在岩土中的导热过程，从而降低系统用于安装埋管的初投资； 为进一点优化系统，有关地埋管换热器与热泵装置的最佳匹配参数的研究也在展 开。 由于地源热泵地下换热影响因素很多，设计难度大，基础数据不足，某些参 数选择不当会造成工程造价高得难以接受。这在一定程度上限制了该项技术的应 用。所以，直到2 0 世纪8 0 年代后期才在商业、民用建筑的空调设计中采用。地 源热泵系统的设计细节及其与传统建筑系统匹配的资料不多。对地源热泵工程实 例的调研和经验总结是国际上地源热泵研究的一个重要方面。因此，进入2 0 世 纪9 0 年代以后，除报道有关地埋管换热器的强化传热以外，还有关于地源热泵 的运行总结和已建成工程的性能比较等。最近几年，美国陆续报导了一些有关大 型商业建筑采用地源热泵的实例。截至1 9 9 9 年底，全球大约有4 0 万台正在运行 的地源热泵机组，而且其数量也在以每年4 万台的数量增加f 14 】。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 国内的发展与研究现状 早在2 0 世纪5 0 年代我国就已经开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热 泵的发展则比较缓慢。在国家自然科学基金委员会的资助下，自2 0 世纪9 0 年代 初期以来国内也开始了对地源热泵的探索性研究。青岛建筑工程学院对竖直埋管 的地源热泵进行了实验室研究，对u 型埋管周围土壤温度场也进行了理论研究 和试验测试，于1 9 9 8 年建立起了聚乙烯竖直埋管地源热泵装置；1 9 9 8 年重庆建 筑工程学院也建成了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的试验装置，主 要进行了1 5 m 深的套管式竖直浅埋管传热的实验室研究。同济大学于1 9 9 9 年5 月建成了地源热泵实验台，并进行实验研究。湖南大学等单位建起了水平埋管 地源热泵试验装置，对地源热泵技术进行了实验研究。有的学者也采用了数值分 析和理论研究的方法研究了地埋管换热器中的传热。有关学者对这一时期的地源 热泵研究与应用进行了总结与展望。 在地源热泵系统中，地埋管换热器的研究一直是地源热泵技术的难点，同时 也是该项技术研究的核心和应用的基础。现有的地埋管换热器设计方法大都基于 美国和欧洲对地埋管换热器的理论和试验研究。国内对于地源热泵系统的研究重 点均放在地埋管换热器的试验研究上，试验的重点是：单位管长放热量的确定、 系统c o p 的确定、埋管合理间距的确定、岩土热物性的确定等。试验的埋管形 式有如下几种： 1 ) 水平埋管热泵系统冬夏季供冷供热试验； 2 ) 竖直u 型管热泵系统冬夏季供冷供热试验； 3 ) 单、双层水平埋管换热器试验； 4 ) 竖直套管式地埋管换热器试验。 重庆建筑大学、同济大学、天津大学、青岛建筑工程学院等单位分别根据各 自的地质条件给出了相关的试验结果，同时对地埋管换热器的传热模型、地埋管 换热器设计计算模拟及影响地埋管换热器传热的各种因素进行了初步研究，取得 了一些阶段性成果。由于影响地埋管换热器的因素很多，而且地下传热过程复杂， 因此现有的各种试验数据缺乏一般的指导意义，各种设计方法得出的结论往往相 关很大，而且在短时间内很难达成共识。 国内对地源热泵的探索性研究在如何有效地降低系统初投资、保证系统的可 靠运行等方面的研究一直没有大的突破。其主要的原因是已开展的研究绝大多数 都局限于对所建立的试验系统进行性能测试并与传统的空气热源热泵性能进行 技术经济比较，从而得出地源热泵节能的一般性结论。由于缺乏对地埋管换热器 在岩土中复杂的传热、传质综合传递过程的深入研究，使得这些结论只适用于某 一具体的试验系到”】，所提供的基础数据较少而不能作为普遍的设计依据。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 综合国内外地源热泵的研究现状，根据我国人多地少、水资源匮乏的国情， 结合作者研究成果和工程实践，本书着重探讨竖直u 型埋管地源热泵技术。 1 4 本课题研究内容和意义 本文以安定医院作为工程实例，采用打测试井实测，并对实测数据进行整理 分析的方式进行热响应实验。通过热响应实验，获取地下岩土的构造、热物性、 初始温度等，并进一步利用热响应实验测试软件得出设计地下换热器系统所需的 岩土导热系数，为进行地下换热器系统设计提供确切的数值依据。同时对该工程 实例进行经验总结，希望对其他工程有所帮助。 天津大学硕士学位论文第二章热响应实验的理论依据 第二章热响应实验的理论依据 2 1 地质与土壤热物性 2 1 1 地温分布 2 1 1 1 地球构造 地球是一个旋转椭球体，其平均半径为6 3 7 1 k m 。地球并不是一个均质体， 它是一个由不同状态和不同物质组成的呈若干个同心圈层构造的球体。以地表为 界可以分为内圈和外圈。收表及里分别为大气圈、水圈、生物圈( 称为外圈) 以 及地壳、地幔和地核( 称为内圈) 。 对于地球外部圈层，一般可用直接观测的方法进行研究。但对地球内部圈层， 完全采用直接的方法进行研究是有困难的。现阶段主要采用地球物理的方法，更 重要的是利用地震波在地球内部传播的情况作为划分地球内部圈层构造的根据。 根据地震波的传播数据，发现地球内部的若干深度处存在着波速发生突然变化的 不连续面，根据这些不连续面地球内部圈层可以划分为若干个同心的球形面。在 这些不连续面中有两个变化最为显著的一级不连续面，即位于地下平均3 3 k m 处 ( 指陆地部分) 的莫霍洛维奇不连续面和2 9 0 0 k m 深处的古共登堡不连续面。这 两个不连续面将地球内部划分为三个圈层：地壳、地幔和地核。 1 ) 地壳 位于莫霍面以上的部分称为地壳。它主要由含硅和铝的硅酸盐类岩石组成， 所以又称岩石圈。地壳质量占地球总质量的0 8 。体积约为地球体积的1 。 地壳的厚度各地有很大差异，大约变化于5 - , - - 7 0 k m 之间，整个地壳平均厚度为 2 0 k m 。地壳进一步又可分为硅铝层和硅镁层，硅铝层化学成分为o 、s i 、a i 等为 主，n a 、k 也较多；硅镁层虽然仍以0 、s l 、a i 等为主，但比起上部则相对减少， 而m g 、f e 、c a 成分则相应增多。硅铝层包括沉积岩层和花岗岩层硅镁层则和玄 武相似。 2 ) 地幔 地幔又称之为中间层，指莫霍面以下到古登堡面以上的圈层，深度为地下 3 3 - - - - 2 9 0 0 k m 。其体积占地球总体积的8 2 ，质量占地球总质量的6 7 8 。目前， 一般以9 8 4 k m 为界，把地幔分为上地幔和下地幔。上地幔曾称为榴辉岩层，深 为5 0 - 2 5 0 k m 。一般认为这里可能是岩浆的发源地，同时，地壳运动、岩浆活动 天津大学硕士学位论文 第二章热响应实验的理论依据 和火山喷发等活动皆可能与此层有关。下地幔曾称为金属层或硫化物一氧化物 层。根据这种观点，这一部分主要由金属硫化物和氧化物组成，铬、铁、镍等成 分有显著增加。 3 ) 地核 位于深2 9 0 0 k m 古登堡面以下直到地心部分称为地核。地核又可分为外核、 过渡核和内。据推测，地核物质非常致密，密度在9 7 , - - - , 1 7 9 c m 3 以上，地核总 质量占整个地球质量的3 1 5 ；压力达0 3 0 3 1 0 6 ，一- - - 0 3 6 4 1 0 6 m p a ( 3 0 0 - - 3 6 0 万个大气压) ；温度为2 0 0 0 - , 3 0 0 0 c ，最高不超过5 0 0 0 。 1 7 世纪以来，人们就知道深矿井中的温度要高于地球表面的温度，这种温 度的递增，普遍认为其热量来自地球的深部，而且是自下向地表流动和释放，同 时也直观感到地温随深度的增加而增高。因此，地球内部的温度分布状态就代表 地球的热状态。 2 1 1 2 地壳中的温度分布 地壳上部的温度分布，主要受控于两方面的热量影响，一是太阳的辐射热， 二是来自地球内部的热量。根据地壳表层到3 k m 以内这段地温观测资料的综合 研究，地壳中地温分布大体可分为三个带：变温带、常温带和增温带。 1 ) 变温带 主要指靠近地表的最上层部分，这一地段的地温主要受到太阳辐射热源的影 响，而且地温温差随着日变化、季节变化、多年变化及至世纪变化而变化，所以， 又称之为可变温度带。其温度的可变幅度是随着深度的递增呈现规律性的递减。 比如昼夜温差2 0 时，这一周期性变化幅度对1 m 深的地温影响幅度有0 0 0 4 。 影响变温带深度为：日变温带深度为1 ，- - , 2 m ，年变温带深度在1 5 2 0 m 。在多 年冻土分布区域，由于受古气候条件的影响，其冻土层厚度可达7 0 0 - - - , 8 0 0 m 。 2 ) 常温带 指变温带以下的地壳，在一定的深度内太阳辐射影响逐渐减弱至最低限已经 不能使地温再发生变化的地带。这一地带的厚度很薄，它的明显特点是地球内部 热能与上层变温带的影响在这个区域内处于相对平衡。实际上温度变化的幅度小 于观测误差时即可认为处于常温状态，亦称年常温带。其埋藏深度也就是上述年 变温带的影响深度。各地区的年常温带温度并不一样，主要与当地所处纬度、地 理位置、气候条件、岩石性质以及植被等因素有关。一般常温带的温度要比当地 多年年平均气温高出1 - - 2 。 3 ) 增温带 指常温以下的地壳，主要是受地球内部热能影响的地带，所以又称内热带。 天津大学硕士学位论文第二章热响应实验的理论依据 增温带内的温度随其深度而增加。一般来说温度是朝向地球中心方向稳定递增 的，但延伸到一定深度后，温度增幅逐渐减缓。增温带地温变化以地热增温率表 示，地热增温率是指每增加一定深度升高的度数，通常以每一百米温度升高的度 数表示，又称为地温梯度。各地区的地温度梯度差别很大，其大小与各地的地质 构造条件、岩石的导热性、火山与岩浆活动情况及水文地质环境等因素有关。我 国地温梯度分布具有东部高，西部低，南部高，北部低的总趋势。石油、天然气 的钻井工作表明，每增加l o m ，地层温升一般为2 5 。因此，绝大部分地区 的平均增温率定为每百米增加3 。c 。且地壳的增温率延伸到一定深度后，其增温 幅度自上而下逐渐减小。 到目前为止，地温实测温度数据的深度仅l o k m ，而且实测的数据也寥寥无 几。在l o k m 以下的温度，一般只能通过理论计算方法来推算。 2 1 2 地质构造 地球是太阳系的一个行星。地壳是人类生活，生存和从事各种工程建设的场 所。地壳是在不断地运动、发展和变化的。例如一亿八千万年前的四川1 ，还是一 片汪洋，以后才逐渐上升为陆地；喜马拉雅山地区在4 0 0 0 万年以前还是大洋， 只是在2 5 0 0 万年前才开始从海底逐渐上升，在2 0 0 万年前才初具山的规模，到 现今已经变为雄伟的山脉。这种由于地球内动力地质作用引起地壳的机械运动称 为地壳运行。地壳运动使岩体产生变形、变位、形成各种不同的构造形迹( 如断 层、裂隙、褶皱等) 称为地质构造。因此，地壳运动也称为构造运动( 或造山运 动) 。地壳运动迄今仍在持续，一般认为晚第三纪( 2 5 0 0 万年) 以来的构造运动 称为新构造运动。而其中有人类历史以来产生的新构造运动称为现代构造运动。 地壳运动按其运动方向可分为水平运动和升降运动。水平运动是地壳受水平 引起或水平挤压作用，使岩层产生断裂或褶皱。升降运动是竖直于地表的运动， 表现为地壳大面积的上升运动或下降运动。地壳运动速度有快有慢，通常以缓慢 的持续运动为主，其速率常以m m 年计；地壳快速运动如大家熟悉的地震及火 山活动等。 地质构造的基本类型有水平构造、倾斜构造、褶皱构造和断裂构造。地壳表 层沉积的、受构造运动作用轻微的、层面近水平的构造称为水平构造。大多分布 在大范围均匀抬升或下降的地区内。由于构造运动使岩层面与水平面有一定夹角 的地质构造称为倾斜构造。它通常是褶皱的一翼或断层的一盘。倾斜构造中岩层 在一定范围内向同一方向倾斜而且倾角大致相等的地质构造，又称为单斜构造。 当岩性比较软弱的层状岩体受到较强烈构造运动作用时，岩层便产生一系列的连 续弯曲变形形态，称为褶皱构造。随着构造作用力的增加，当其超过岩体极限强 天津大学硕士学位论文第二章热响应实验的理论依据 度时，岩层便产生破裂或错动，形成断裂构造。褶皱构造和断裂构造是最主要的 地质构造类型。地质构造的规模大小不等，大的如区域性构造分布可达数千公里， 而小的在手标本或在显微镜下也能观察到。 褶皱和断裂构造使岩层产生弯曲、断裂和位移，破坏了岩体的完整性使岩体 透水性增强、风化作用加剧、岩石强度和岩体稳定性降低，使工程建设的工程地 质条件复杂化1 16 l 。显然，地质构造是地下建设工程地质条件中一个十分重要的地 质因素。 2 1 3 地下储存能 地壳中为地源热泵提供的能量是储存的太阳能，只有很小一部分( 小于 2 3 ) 能量来自炽热的地核。能量每天都通过太阳辐射、降雨、风等方式传 递到地下或从地表面传出。由于太阳能输入地下，l o m 以下的大地温度接近年平 均大气温度。大部分的水平埋管铺设在地表与地下大约2 m 之间，这个深度的地 层温度在一年中是变化的，根据年中时间的不同以及地理位置、土壤类型、雪 的覆盖程度、湿度的不同而高于或低于年平均大气温度。 由于大地本身的绝热性，其土壤的温度比外界空气的温度更稳定些。在同一 个地点空气的最高( 低) 温度与年平均大气温度的差值可以达到2 8 。c 。而随着 地层深度的增加，温度波动越来越小。计算一年中任何时间、任意深处未受到地 热换热器热干扰时的大地温度亦可根据半无限大物体周期性变化边界条件下不 稳态导热的解析解计算。图2 1 给出了某市地面与地下不同深度处全年温度的波 动曲线。从图2 1 中可以看到，深度越深温度波动的衰减越大，温度达到最大值 的时间滞后越长。如地表温度在夏季七月份到达最高温度，而地下深3 2 m 处要 延迟7 5 天，即该处在九月中旬才到达最高温度。在冬季和夏季，土壤的最高与 最低温度均比地表温度延迟几周或十几周。由于这个优点，在年平均大气温度波 动较大的地区，地源热泵的应用具有很大的优势。 h 十彝毒帧晶h 十h 一 礤， l t i j l - 蛹i 圆， li v 一1 天津大学硕士学位论文第二章热响应实验的理论依据 图2 1 某地不同深度地层的实测温度变化曲线 当达到一定深度时，最热月份时此处的温度反而低于该点的全年平均温度， 而在最冷月份时，该处的温度要高于全年平均温度，如图2 2 所示。图2 2 中a 为地层表面的月平均温度波动幅度。地下岩土层内形成的冬暖夏凉，可为建筑空 调和供热提供能量。由于夏季地下温度比室外空气温度低很多，所以供冷产生的 热可以更有效地被释放到地下。同样，冬季较高的地层温度，使地源热泵从中提 取热量变得更容易了。 2 1 4 岩土热物性 ；。 。：跪。一一 咎露篪堙教铭 l 图2 2 地层深度方向上的温度变化曲线 如前所述岩石是地壳的主要组成成分，且岩石是研究各种地质构造和相貌的 物质基础，所以研究岩石具有重要的意义。岩石是在各种不同地质作用下产生的， 由一种或多种矿物有规律组合而成的矿物集合体。如大理石主要由方解石组成； 花岗岩由长石、石英、云母等多种矿物组成。根据成因，岩石可以分成三大类： 即由岩浆活动所形成的岩浆岩，由外力作用形成的沉积岩，由变质作用形成的变 质岩。 土是人类作用于地球的主要客体，具有极其复杂的工程地质性质。用定量指 标描述土的工程地质性质是工程地质勘察和评价建筑场地工程地质条件的依据。 土的工程地质性质包括土的物理性质、水力性质和力学性质三个方面。这里主要 讲述土壤的物理性质，尤其是热物性。 由于土壤是一个包含固、液、气三相的料状介质，故其热物性取决于各组分 的容量比例、固体颗粒大小的排列以及固、液相间的界面关系。表2 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，所以岩土导热系数将会随着孔隙率的增加而减小。土壤容重 的增加可降低孔隙率，并改善固体颗粒间的热接触。导热能力低的空气量的减少， 天津大学硕士学位论文第二章热响应实验的理论依据 总导热率增加。另一方面，由于水的比热容较大，因此当含水量增加时，岩土的 比热容也将增加。如果岩土的孔隙率很低则其热物性主要由其中的矿物质决定。 如果岩土孔隙率较高，则岩土的含水量对其热物性产生很重要的影响。水渗透到 土壤中使其容重变大所造成的导热率的增加，比容重大的密实土壤所造成的影响 大的多。这是因为颗粒间接触点上出现的水膜不仅减少了颗粒间的接触热阻，而 且水分( 导热系数是空气的2 0 倍) 取代了土壤孔隙间的空气，同时潮湿土壤中 热湿迁移的作用大大增强，这些使其传热能力远大于相同密度下干燥的土壤。 表2 1 矿物质、水和空气的导热系数和体积热容量 物质种类导热系数k体积热容量c 矿物质 2 - 7 w ( m k ), - - , 2 m j ( m 3 k ) 水 0 6 w ( m k )4 2 m j ( m 3 k ) 空气0 0 2 4 w ( m k ) 0 0 0 13 m i ( m 3 k ) 属于相同类别的岩土层可被表述为一个不变的层。各岩土层之间最重要的区 别在土壤与岩石的分界面。工程上准确地确认土壤和岩石的分界面十分重要。这 是因为实验室测量岩土层的平均( 或表现) 热物性时，通常需要不同岩土层的深 度作为加权因子。另一方面，从经济或技术角度考虑，有时不同的