（热能工程专业论文）埋地换热器内热源理论模型与实验研究.pdf

中文摘要 本文提出内热源型埋地换热器理论模型 采用土壤热湿传递方程 建立换热 器周围土壤热湿传递物理数学模型 区别于以往的传热模型 内热源模型考虑湿 度迁移 土壤类型等各方面因素 将埋设于土壤中的换热器处理为等效内热源 并应用专业的多孔介质计算软件a u t o u g h 2 对其求解 对单根换热器模型进行计算 分析土壤物性对土壤温度变化的影响 不同土 质中换热器影响范围以及各种运行方式下的温度变化曲线 在单根换热器分析基 础上 综合传热传质 土质 运行方式等各方面因素 针对天津市梅江小区土壤 源热泵科研工程中的换热器管群进行模拟计算 得出比较令人信服的结论 对埋 管式地源熟泵的设计应用提出原则性指导 以天津市梅江小区土壤源热泵科研工程实例为背景 对u 型垂直埋管式换 热器进行了小型的单管实验研究 实验中建立了不同深度的u 型垂直埋管换热 器的实验台 分别进行取热和放热实验 实验测量换热器的进出口水温及流量 分析换热器的热输出能力及各因素对换热器性能的影响 得出了有益于实际应用 的结论 关键词 土壤源热泵埋地换热器内热源土壤温度场热湿传递 a b s t r a c t an e wi n n e rs o l l r c em o d e lo fu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ri s d e v e l o p e d c o m b i n e dw i t ht h et h e o r yo fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri ns o i l d i s t i n g u i s h e df r o mc u r r e n t m o d e l sf r o ml i n es o u r c et h e o r y t h i sm e t h o dc a na c c o u n tf o ran u m b e ro ff a c t o r s i n c l u d i n gm o i s t u r em o v e m e n t s u r f a c ee f f e c t sa n ds o i lt y p e a n dh a v eam o r ep r e c i s e a n a l y s i so nu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r e t h ec o m p u t e rc o d eo f a u t o u g h 2i su s e dt o c a r r yo u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nt h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r e t os i n g l eh e a t e x c h a n g e r t h ee f f e c t so fp r o p e r t y s o i lt y p ea n dd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o nm o d ea r e a n a l y z e d t h e ne x t e n d i n gt ot h eg r o u po fh e a te x c h a n g e r s t h eg e n e r a lc r e d i t a b l e c o n c l u s i o n sa r cd r a w no u tf o r t h ef i r s t t i m e b a s e do nar e a lg r o u n d s o u r e eh e a tp u m pp r o j e c t t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo ft w o d i f f e r e n td e p t hu p i p eh e a te x c h a n g e r si se s t a b l i s h e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo f h e a t e x c h a n g e ri nt h em o d e so f h e a t i n ga n dc o o l i n g t h ei n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r eo f t h e u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ri sm e a s u r e d 舔w e l la st h ef l u xo fw a t e r h e a te x t r a c t e d o rr c j c o t e db yt h eh e a te x c h a n g e ri sa l s oa n a l y z e d al o to fd a t ah a v e b e e na c q u i r e d w h i c hi su s e f u lf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no f g s h p k e yw o r d s g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r i n n e rs o u r c e u n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n h e a ta n dm a s st r a n s f e r 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 也不包含为获得墨生盘鲎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 c 司绣签字日期 节刍年 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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 学位论文作者繇f 孙奄 签字日期 如谚年 月 7 日 导师签名 专勃同 签字日期 年1 月1 7 日 第一章绪论 1 1 土壤源热泵研究现状 第一章绪论 能源是国民经济建设和改善人民生活条件的重要物质基础 在当今世界发展 的进程中 人类社会面临着人口急剧膨胀 常规能源逐渐枯竭 环境污染十分严 重的挑战 因此 研究 开发和利用绿色新能源 已经成为世界各先进国家能源 建设的共同战略目标 地温能 e a r t he n e r g y 是指地表浅层 通常小于4 0 0 米深 土壤 地下水 或河流 湖泊中吸收太阳能 地热能而蕴藏的低温位热能 地表浅层好象一个巨 大的太阳能集热器 收集了4 7 的太阳能 比人类每年利用能量的5 0 0 倍还多 这种近乎无限 不受魄域 资源限制的低焓热能 是人类可以嗣用的清洁可再生 能源 地温能不象太阳能受气候 季节的影响较大 也不象深层地熟受资源和地质 结构的限制 地表浅层地温全年相对稳定 冬季比环境空气温度高 夏季比环境 空气温度低 是一种很好的自然热源 或冷源 近些年 由于能源和环境问题 的突出 使得人们开始认识地表浅层地温能资源的利用价值 利用地温能的土壤 源热泵系统在供疆 空调领域日趋活跃 2 l 世纪 研究开发新能源和保护环境 是人类的主题之一 利用地温能既是对太阳能和地热资源的延伸和补充 也是新 能源的组成部分 土壤源热泵就是借助消耗少量的机械功 而有效地把难以直接应用的低品位 土壤热 她温能利用起来 达到节能目的的一种高效节能装置 是近几年国外 大量采用的新技术 随着土壤源热泵在国内的研究和应用日益广泛 它的节能应 用特性受到了越来越多的关注 它的适用性和局限性也成为众多研究人员 设计 师和业主关注的焦点 土壤源热泵的起源可以追溯到1 9 1 2 年瑞士人佐伊利 h z o e l l y 提出的关于利 用土壤作为热源的专利 l 设想 由于土壤源热泵不需要采用空气换热器时不可避 免的融霜循环 同时由于土壤的蓄热特性 地表以下一定深度处的土壤相对于地 表温度较高 因而热泵装置的c o p 会更高 具有显著的节能特性 从土壤源热泵的实际应用情况看 只要设计合理 它完全可以取代传统空调 系统中的锅炉等对周围环境造成污染的装置 也具有显著的直接环保优势 当然 单从能够节能这一角度来看 采用土壤源热泵本身就具有间接的环保特性 正是 具有上述两项特性 使得土壤源热泵在欧美等西方发达国家得到广泛的应用 目 第一章绪论 前已进入成熟的商品化 市场化阶段 1 9 9 8 年美国商业建筑中土壤源热泵系统 已占空调总量的1 9 在瑞士新建住房中 每4 幢就有1 2 幢装有土壤源热泵 系统 其建筑密度 按换热器长度与建筑面积的比值 达到世界第一 1 1 1 国外研究现状 土壤源热泵的研究在国外大致可分为三个阶段 尽管佐伊利早在1 9 1 2 年就提出了土壤源热泵应用的思想 但大规模的应用 直到二战结束以后 才在欧洲和北美兴起 土壤源热泵的许多基础性理论 包括 至今仍被设计师们广泛采用的 开尔文线源理论 等数学理论模型就是在那时建 立的 同时还提供了大量的实验测试数据 为后来的研究提供了实验验证的基础 但第一波的研究高潮持续到2 0 世纪5 0 年代中期就在土壤源热泵的初投资较高 当时的能源廉价等多种因素的打压下基本上停止了瑚 1 9 7 3 年在欧美等国开始的 能源危机 重新促使人们对土壤源热泵研究的 兴趣和需求 孔 特别是北欧国家如瑞典等的兴趣 欧洲先后召开了5 次大型的土 壤源热泵的专题国际学术会议 瑞典在短短的几年中共安装了土壤源热泵装置 1 0 0 0 多台套 美国也在能源部 d o e 的直接资助下由一些国家实验室和大学 等研究机构开展了大规模的研究 为土壤源热泵的推广起到了重要的作用 这一 时期的主要工作是对埋地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 4 1 进入2 0 世纪9 0 年代 士壤源热泵的应用和发展进入了一个新的阶段 目前 土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有份额大约是3 每年见诸报道的土壤 源热泵实际应用工程项目和研究报告不断增加 1 9 9 3 年成立了国际土壤源热泵 协会 i o s h p a 1 9 9 6 年该协会专门推出了专门报道土壤源热泵研究的期刊和网 上杂志 w w w i g s h p a o k s t a t e e d u 土壤源热泵还开始应用于大型的商业建筑 其 制冷 供热量也从几冷吨到几千冷吨不等 对3 5 0 多套商用土壤源热泵系统的调 查表明垆 土壤源热泵系统通过与水环热泵 w a t e rl o o ph e a tp u m p 的结合使 用 可以取得良好的节能效果 为土壤源热泵的应用开辟了一个良好应用前景 1 9 9 7 年的a s h r a et e c h n o l o g ya w a r d s 就授予给了一个采用土壤源热泵系统的实 际应用工程 6 1 在理论研究上 土壤源热泵研究热点依然集中在埋地换热器的换热机理 强 化换热及热泵系统与埋地换热器匹配和安装布置技术等方面 与前一阶段研究简 单的传热模型所不同的是 研究者更多地关注相互耦合的传熟 传质 以便更好 地模拟埋地换热器的真实换热状况 指导实际应用 同时开始研究采用热物性更 好的回填材料 以强化埋管在土壤中的传热过程 从而降低系统用于安装埋管的 第一章绪论 初投资 为进一步优化系统 开始研究有关埋地换热器与热泵装置的最佳匹配参 数 7 引 1 1 2 国内研究现状 我国对于土壤源热泵系统的研究与应用起步较晚 但到2 0 0 0 年左右 在各 种因素的共同作用下 成为一个非常 热门 的研究课题 虽然这样的热门是处 在一个整体水平相对低下的大环境之中 从已有的文献报道来看 国内最早的研究开始于1 9 8 9 年f 9 当时山东青岛 建筑工程学院在国内建立了第一台土壤源热泵系统的试验台 开始主要从事水平 埋管的研究工作 后又完成了竖直埋管换热器的研究工作 天津商学院几乎在同一时间开始了土壤源热泵系统的研究 高祖锟等人在结 合国外有关的研究数据的基础上 重点对螺旋盘管埋地换热器作了研究 l o 华中理工大学从9 0 年代开始 在国家自然科学基金的资助下 进行水平单 管的换热研究 后来又进行了地下浅层井水用于夏季供冷和冬季采暖的研究t i l l 湖南大学从1 9 9 8 年开始也进行了多层水平埋管的换热特性研究i l 重庆建筑大学的刘宪英等人从1 9 9 9 年开始在国家自然科学基金的资助下进 行了浅埋竖直管换热器地源热泵的采暖和供冷特性研究 1 3 1 同济大学张旭博士等 对我国华北地区的代表性土壤及不同比例的沙 土混 合物 在不同的含水率 不同密度条件下的导热性进行了大量实验 并对上海地 区土壤源热泵夏 冬 季的启动工况作了研究 1 4 1 5 j 1 1 3 土壤源热泵的核心技术 作为一项结合环境学 钻探 热交换 制冷 暖通空调等多学科知识的技术 影响土壤源热泵系统性能的因素是多方面的 而换热器与土壤之间的耦合关系则 是其中之一 目前为止 已提出的换热器模型大约有3 0 多种 大多采用i n g e r s o l l 和p l a s s 提出的线热源理论 圆柱热源理论以及v c m e i 提出的三维瞬态远边界传热理论 t i l t l 6 1 由于土壤是 个由固态的土壤骨架 液态和气态水以及空气组成的多相分 散体 为描述土壤中的热质耦合过程 研究者将水分和空气的输运过程作用归结 为一导热系数的附加值 但这种作法显然会带来较大的误差 相应的结果是土壤 源热泵的埋地换热器的尺寸偏大 热泵装置的初投资加大 埋地换热器的成本一 般占到热泵系统总成本的2 0 3 0 无法与传统的空调系统相抗衡 因此亟待解决的方法是对埋地换热器与土壤的热交换过程采用空完善的数 学模型进行描述 全面考虑土壤中的传热和传质过程 多孔介质流体力学方法可 第一章绪论 能是一个有力的工具 1 2 土壤中热湿传递研究 上一个世纪开始 科学家与工程师们开始研究土壤中热湿传递的各个方面 最初是为了农业生产以及道路建设中的应用 如今 有关土壤热源的研究已经扩 宽了研究者们的兴趣 含湿土壤中的水分传递可以由多种因素引起 重力或温度 梯度 水分含量 盐浓度和压力 压力梯度会引起空气一蒸汽混合物的剧烈流动 而其它因素只引起湿度的扩散 由温度梯度引起土壤中的水分迁移的研究最早是由b o u y o u c o s 在1 9 1 5 年所 作的实验研究开始 进一步的研究者有s m i t h m a c l c a n 和g w a t k i n c r o n e y 和 c o l e m a n 旧 b o u y o o s 总结出湿传递过程中存在一个 热力临界湿度 在这个 湿度下温度梯度引起的水分传递达到最大而蒸汽传递可忽略不计 然而 s m i t h 却认为水蒸气的对流是湿传递的主要原因 热力湿度迁移的实际机理一直是许多论争和研究的主题 s m i t h 1 9 4 3 年 认 为水分的热力迁移是液体和蒸汽的联合作用结果 他提出 毛细运动态 的理论 也就是湿度中的液相和气相含量都是连续的状态 p h i l i p 和d c v r i c s w o o d s i d c 和k u z m a l i c z j a g u i n 和m c l n i k o v a 支持蒸汽浓度引起流动的理论 1 5 虽然 现 在仍没有人提出确切的物理机理 但已达到普遍共识 如果在土壤中不能保证液 体的连续性 则蒸汽运动占主要地位 自2 0 世纪6 0 年代早期 主要有两种方法来阐述土壤中的热湿传递 第一种 方法是建立土壤的物理模型 分析土壤组分 然后根据达西定律及斐克定律建立 对热湿传递的宏观描述 这种方法在对于非饱和土壤情况下 需要对两个定律进 行修正 第二种方法利用热力学第二定律将含湿土壤的熵与热传递速率 湿传递 速率以及压力分布相联系 这样就可以确定湿传递的动力因子 用不同的系数来 表示各自影响热湿传递的大小 这些系数需要由实验确定 或者建立一个可以得 到相关系数的物理模型 第一条与土壤中热湿联合传递相关的理论是由p h i l i p 和d e v r i e s 1 9 提出 在 结合了蒸汽扩散定律以及重力势下液体流动粘性定律的基础上 他们推导出达西 定律和斐克定律的温度及湿度梯度形式的修正式 以描述液体和蒸汽的等温变化 及热传递 p h i l i p 和d e v r i e s 在5 0 年代中期针对土壤中热质传递而建立起的模型认为 含湿量的迁移可分为液体的毛细流动和蒸汽的扩散渗透 并把多孔介质处理成连 续介质 从而导出一组偏微分方程组 指出液体在温度梯度下的流动是由于液体 第一章绪论 表面张力变化所致 并指出提高扩散系数的因素 1 9 他们的理论与当时的 液 岛 的理论较吻合 即在非饱和土壤中液体流动是一种蒸发 冷凝的联合过程 与s m i t h 在1 9 4 3 年提出的假设相似 p h i l i p 和d e v d c s 的理论的最新发展是由 c o u v i l l i o n l 2 0 在1 9 8 1 年提出的关于极低湿度的土壤的物性计算方法 该模式在地 质 水文和石油等学科领域内应用较多 苏联著名学者l u i k o v 在1 9 5 4 年就认识到温度对水分迁移过程的影响1 2 他 根据不可逆热力学 宏观质量 能量守恒定律 并引入迁移势概念 认为热传递 不仅取决于热传导 而且还取决于湿组分的再分布 质传递不仅取决于湿扩散 还取决于热扩散 从而 他导出一组熟质结合偏微分方程 此后 l u i k o v 进一 步考虑到多孔介质内部压力对熟质传递的影响 导出了以温度 含湿量和压力为 迁移势的一组偏微分方程 由于l u i k o v 模型中涉及到一些物性参数难以确定且 方程求解困难 严重影响了该模型的广泛应用 目前该模型主要用于建筑熟工 干燥及土壤研究之中 t a y l o r 和c a r y 从不可逆热力学定律中推导出液体和蒸汽的流量表达式 并 且第一次得到水的表面张力的变化不足以引起观察到的液体迁移的结论 二人进 一步完善了他们的理论 但热力学第二定律的局限性限制了这一理论的发展 尤 其是对液体和蒸汽流动的线性描述 更限制了t a y l o r c a r 理论的应用口 2 4 1 s l a t t e r y s h a p i r o 和w h i t a k e r m 结合经典输运理论 空间平均定理 并作了 一些必要假设 将多相组份的多孔介质转化为更粗水平上的假想连续介质 导出 了土壤中多相运动方程和能量方程 方程的各项具有明确的物理意义 且各系数 都可从实验中获得 国内 夏彦儒和施明恒等人将线性不可逆过程热力学方法引入岩士中传热传 质研究中 硐 通过分析系统内流与力的关系和交叉干扰效应 推导出描述多个 推动力耦合迁移过程的线性唯象方程组和热质交换干扰准则 该方程组如下 石 如删 蜜争吼 r z 匕叫癣等 r 式中 j 为流 r 为绝对温度 为化学势 三是唯象系数 i j 分别表示物 质种类 在此基础上 施明恒完成了模拟自然气候条件下未饱和土壤中热质迁移 的实验装置 并建立了土壤非饱和区热质迁移理论模型 取得了土壤温湿度场的 动态模拟 第一章绪论 1 3 课题研究内容和方法 本课题针对埋地换热器 以土壤热湿传递理论为基础 结合梅江生态小区土 壤源热泵科研项目 进行埋地换热器的理论和实验研究 具体内容如下 1 3 1 研究内容 1 提出内热源型埋地换热器模型 将土壤热湿传递理论应用到土壤源热泵 的研究当中 建立换热器周围土壤热湿传递模型 利用软件计算换热器周围土壤 温度场 2 实验 建立垂直埋管换热器性能研究实验台 研究不同埋深 不同工况 及运行条件下换热器取热和放热性能 以及换热器周围土壤温度变化 3 动态模拟不同土质 不同运行方式下的单个换热器取热过程 取冷过程 研究地下土壤温度变化 4 在单个换热器研究基础上 综合传热 传质 土质及换热器排布等多种 因素 对梅江小区办公楼地源热泵系统所使用的垂直埋管换热器管群进行模拟 计算管群长期运行工况下土壤温度场 分析土壤的热平衡 1 3 2 研究方法 1 理论模型 将换热器简化为土壤内热源 把埋地换热器周围土壤热湿传 递三维模型处理为二维模型的积分叠加 采用土壤热湿传递方程 建立内热源 埋 地换热器 的理论模型 而传统的 线热源 理论多是将换热器处理为边界热流 条件进行求解 2 数值模拟 利用专业的多孔介质a u t o u g h 2 计算软件作为本文的数值模 拟工具 模拟土壤源热泵系统运行状况下换热器周围土壤温度变化 分析土壤热 量平衡 3 实验研究 通过现场实验取得换热器热输出特性 当地土壤初始温度等 资料 为地源热泵系统设计和进一步研究提供原始数据 第二章垂直埋管式换热器实验研究 第二章垂直埋管式换热器实验研究 本实验是基于天津市梅江筹备处与天津大学合作的梅江生态居住区土壤源热 泵科研工程的一个前期研究 在应用方面 这套土壤源热泵系统须满足建筑面积 为3 7 1 5 m 的办公楼的供冷和采暖需求 其冷 热负荷分别为3 2 0 k w 和1 4 7 k w 在 科研方面 根据实际情况 设计采取桩埋管 垂直埋管和水平埋管三种埋地换热 器方式 主要温度 流量 电功率等自动采集 计算 及时反映运行状态 为土 壤源热泵系统的应用研究提供了一次绝佳的机会 为取得换热器的准确热交换能 力 设计出合理的地下埋管长度 深度及间距 提高系统运行的性能参数及土壤 源热泵的经济性 降低系统初投资 本实验小组在系统设计安装之前对桩埋及垂 直埋管进行实验 本文仅对垂直埋管换热器做分析研究 2 1 实验系统介绍 2 1 1 实验装置 本实验系统于2 0 0 2 年1 月建成 系统设备连接如图2 1 所示 换熟器i 埋深 2 0 m 换热器i i 埋深9 0 m 在实验系统图中 o 表示地面的测湿点 埋管进出口 温度由热电偶采集 水箱温度由数字温控仪显示 图2 1 垂直埋管换热器实验系统图 第二章垂直埋管式抉热器实验研究 地下换热器是本次实验的关键部分 换热器长期埋入地下 必须要使用抗 压 耐腐蚀 热阻小 造价低的管材 目前用于土壤系统的管道材料多采用热熔 性塑料 包括聚乙烯管 聚丁烯管和聚氯乙稀 p v c 管 各种管道热特性见表 2 1 由表中数据可知 p v c 管的导热系数相对较低 在此类应用下并不占优势a 另外 有关实验表明 若使土壤导热性提高一倍 在连续运行情况下 聚乙烯管 道的热交换力升高2 5 而p v c 管只升高1 2 并且 高密度聚乙烯具有高强 度和抗腐蚀能力 选用这一类柔性材料作为地下埋管换热材料的土壤源热泵系统 寿命可长达5 0 年之久f 2 8 1 所以应尽量采用高密度聚乙烯材料 表2 1 热熔性材料热特性 材料导热系数w l m 高密 o 4 0 o 5 2 聚乙烯 低密 o 3 5 聚丁烯o 2 3 硬质 0 1 3 o 2 9 聚氯乙稀 软质0 1 3 0 1 7 对于管径的选择 一般来说 管径较大 换热面积就比较大 换热效果会更 好 但若管径增大到使管内流体处于层流区 换热性髓就比较差了 在工程应用 中选择管径时必须满足的两个原n 1 管道要大到足够保持最小输送功率 2 管道要小到足够使管道内保持紊流以保证循环液体与管内壁间的传热 考虑 管内流动阻力 换热器换热效果和费用 我们采用外径3 2 r a m 内径2 5 r n m 高密 度聚乙烯塑料管 埋设于直径3 0 0 r a m 的钻孔中 钻孔间距5 m 回填物为砂与石 屑的混合物 2 1 2 水箱温度控制 本次实验主要为获得当地地下换热器的实际换热能力 而不是对地源热泵系 统运行效果进行测试 为保证地下埋管进口水温 对水箱温度进行了较为严格的 控制 以获得理想的实验数据 在进行吸热工况实验时 当水箱温度高于数字温 控仪设定温度 温控仪动作 开关吸合 热泵机组制冷工况启动 使水箱降温 在水温达到预定温度对 温控仪就关闭机组 在进行放热工况实验时 用电加热 器对水箱加热 水箱温度升高至预定温度时 则可调节加热器功率 使得加热器 放热量与地下换热器放热量匹配 继而得到稳定的水箱温度 第二章垂直埋管式换热器实验研究 2 1 3 实验测量参数 1 流量测量 系统中 水箱出水口及各换热器出口的均安装有转子式流量计 可分别计量 各单管流量以及系统内的总流量 2 温度测量 实验系统共设1 3 个测温点 采用铠装铜 康铜热电偶作为测温元件 其中4 个测温点设置在两个换熟器各自进出口 1 个铡温点用于测量室外环境温度 余 下8 个测温点布置在换热器i 周围以测量土壤温度 土壤温度场测点布置如图2 2 所有热电偶的数据采集设备为装有a d a m 公司的a d a m 5 0 0 0 模块的工控机 采用专用的组态王数据采集软件对热电偶数据进行自动采集 并可监控系统运行 的实时状况 测量系统中仪器 仪表及传感器 交送器等在实验之前均进行了标 定 图2 2 换熟器i 周围土壤测温点分布图 2 2 实验研究及结论分析 2 2 1 实验内容 号为 铠装热电偶 从2 0 0 2 年1 月到3 月之间 在不同进水温度 流量等运行工况下 分别对取 热和放热进行实验测试和研究 第二章垂直埋管式换热器实验研究 取热工况 系统内循环水经水泵到分水器 由阀门调节进入地下换热器 在 地下取热后汇集于集水器 然后经由热泵机组向室外空气排热后回到水箱 放热工况 将热泵机组与系统断开 采用电加热器加热水 水箱内的水经由 地下换热器放热后直接由集水器返回水箱 2 2 2 数据处理方法 1 地下埋管平均换热量q k w q w e p 以一 式中w 一换热器内水流量 m 3 s p 水的密度 k g m 3 c 口 水的定压比热容 k j k g t 棚下抉热器出水平均温度 t i l 广地下换热器进水平均温度 2 单位管长换热量q pw m q l q x l 0 0 0 2 三 式中i 瑚 管深度 本实验为9 0 m 和2 0 m 3 平均传热系数k w m 平均传热系数定义为当埋管中介质平均温度与大地初始温度相差1 时 单 位时间内通过单位埋深所传递的热量 其计算公式如下 x 曼k t m t o 式中r 熟泵运行中 埋管进 出水平均温度 一大地初始温度 按实验数据 天津地区t o 1 5 x 2 2 2 3 实验结果及分析 1 土壤初始温度的确定 天津地区的地下水位较高 在钻孔的过程中地下1 1 5 m 处即有地下水涌出 土壤的含水率高 考虑到钻孔及布置热电偶对周围土壤热物理特性的影响 在钻 孔及埋管完成后两星期进行了第一次数据采集 作为该地区土壤初始温度 第二章垂直埋管式换热器实验研究 图2 3 为7 2 小时土壤四个深度下的温度随时间变化曲线 对采集数据进行分 析 求平均值 可得天津市梅江地区冬季土壤温度为 1 2 0 8 3 3 地下4 m 1 4 1 1 3 3 地下8 m 1 4 6 4 3 3 地下1 2 m 1 5 0 9 3 3 地下1 6 m 地下4 m 一地下8 m 地下1 2 m 一地下1 6 m 图2 3 土壤各深度初始温度 2 取热实验 2 0 0 2 年2 月1 日及2 月5 日 分另 对i 换热器进行了连续2 4 小时取熟运 行实验 换热器i 进水温度4 5 3 3 流量1 0 0 0 l h 换热器i i 进水温度3 c 流量 9 0 0 l h 由图2 4 2 5 可以看到换热器i 的单位管长换热量 乳 在最初时刻与换 热器 持平 但下降的速度很快 连续运行2 4 小时后 乳已降至1 3 w m 左右 且波动幅度较大 运行稳定性比换热器n 差 换熟器 的吼下降趋势比较平缓 在连续运行达2 0 个小时后 乳基本稳定在1 9 w m 左右 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 o o5 0 0l o o o1 5 0 02 0 0 0 时间 m i n 图2 4 换热器i 取热工况连续运行 8 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 o 05 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 0 时间 r a i n 第二章垂直埋管式换热器实验研究 3 放热实验 2 0 0 2 年2 月2 7 日至3 月3 日 分别对i l i 换热器进行了放热工况的测试 换热器i 进水温度3 5 流量9 5 0 l i l 换热器i i 进水温度3 l 流量1 1 5 0 m l 时问 m i n 图2 6 换热器l 放热工况连续运行 7 0 6 0 善5 0 4 0 寸 3 0 2 0 07 0 01 4 0 02 1 0 02 8 0 03 5 0 0 时间 m i h 图2 7 换热器 放热工况连续运行 由图2 6 2 7 可以看到换熟器i 的q l 由最初的约1 2 0 w m 逐渐下降 连续运行2 4 小时后 啦已降至6 0 w m 下降幅度达5 0 换热器h 情况也是类似 在经过 2 4 小时运行后乳也下降了4 5 在连续运行达3 0 个小时后 g 工基本稳定 本文将实验数据与国内其它她区的u 型埋管实验数据整理成表2 2 给出不 同地质结构下u 型埋管单位管长换热量 为地源热泵设计提供参考依据 表2 2 几类典型地层u 型埋管换热量比较 2 9 小j 埋管深度进水温度单位管长换热量 地点地质类型 m w m 2 0 3 5 放热 5 5 6 0 天津粘土 4 取热 1 5 1 8 3 0 放热 2 8 3 2 9 0 4 取热 1 8 2 0 3 7 放热 2 5 3 5 上海5 0 5 取热 2 0 3 0 3 5 放热 1 6 2 3 重庆砂岩l o 1 0 取热 1 8 2 4 放热 5 0 青岛花岗岩5 3 取热 2 8 6 第二章垂直埋管式换热器实验研究 4 不同埋深对换热热输出的影响 在换热器i i 的取热实验中 由于数据采集系统故障 导致部分运行时间内数 据无法取得 为反映真实情况 图2 8 中将测试点及间断点一同列出 换热器i i i 的埋管材料及回填物质都是相同的 只有埋设深度不同 由图2 8 9 可以明显比较出两种埋设深度换热性能的差异 取热工况时 进水温度均控 制在4 左右 深埋换热器平均换热量大于浅埋的换热器 衰减也比较缓慢 并 且更容易达到稳定状态 而浅埋换热器在连续运行相同时间后啦仍有比较大的波 动 放热工况下 情况却与之相反 浅埋换热器换热性能优于深埋换热器 经过 反复试验 可排除系统运行和数据测量采集的误差 初步分析原因可能是 浅 埋换热器进水温度3 5 而深埋是3 0 x 2 浅埋换热器温差更大 浅埋深度受环 境影响较大 在冬季模拟夏季放热工况 换热温差较大 从而产生实验现象 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 时间 m i n 图2 8 换热器l 取热工况比较 图2 9 换热器i i i 放热工况比较 5 平均传热系数k 分析 图2 1 0 和2 1 1 反映了换热器1 和换热器i i 取热和放热实验平均传热系数筮随 时间的变化曲线 从换热器i 和换热器i i 吸热傲热条件下的足值可以看出 换热 口 墨 时间 图2 1 0 换热器i 平均传热系数 叠 量 时间 图2 1 1 换热器i i 平均传热系数 蚰弘旨 嚣 坫m 5 0 第二章垂直埋管式换热器实验研究 器i 放热k 稳定在6 w m 吸热k 值在2w m 附近 换热器i i 放热和吸 热k 相差不大 约为4 w m 6 换热器周围土壤温度变化 本次实验由于时间仓促 无法完成两种工况的长时间运行实验 考虑到放热 运行对土壤温度场的影响更大 本文选择了迸水温度为3 5 的放热实验 连续运 行4 昼夜 在运行到第5 6 个小时 计算机断电 造成1 5 个小时内的数据丢失 土壤温度变化情况如图2 1 2 图2 1 2 中测点5 6 7 8 及测点2 均为布置在同一土壤层的热电偶 埋设 于地下8 m 深处 测点间距5 0 0 m m 其中测点2 距离u 型管中心线最近 为 5 0 0 m m 由测点2 温度曲线可以看出运行第1 2 天时 土壤温度基本没有显著变 化 运行第3 天时 在0 时刻 土壤比第1 天的温度高出o 5 按照曲线走势 可以肯定此时测点2 处土壤温度已受到影响 运行到第4 天时 测点2 处平均温 度比第1 天上升了o 4 c 而测点5 平均温度比第一天时上升了o 3 测点6 平 均温度比第一天时上升了o 1 5 测点7 平均湿度几乎不变 因此 由测点5 6 7 8 处温度曲线可以粗略推论出此时热作用半径已经达到测点7 处 由此可以 锝出结论 连续运行2 天 热作用半径为0 5 m 左右 连续运行4 天后热作用半径 可达到2 m 2 2 4 实验小结 1 建立了垂直埋管换熟器实验系统 对两种埋深的u 型埋管换热器的换热性 能进行了实验测试 得到了天津地区地质结构下 取热和放热工况下短期连续运 行达到稳定后的单位管长换热量 见表2 2 为地源热泵的设计和应用提供参考 依据 2 在实验开始前 测量了该地区地下四个深度初始温度 地下4 m 为1 2 0 8 地下8 m 为1 4 1 l 地下1 2 m 为1 4 6 4 地下1 6 m 为1 5 0 9 3 实验研究了不同埋深对埋管换热器换热性能的影响 得到取热工况下深埋 换热器换热效果优于浅埋换热器 而放热工况下浅埋抉热器换热效果更好 4 k 分析得出 u 型垂直埋管换熟器放热工况下的换热性能优于吸热工况 并且 埋设较深换热器换热性能优于埋设较浅的换热器 5 测量连续放热运行条件下换热器周围土壤温度分布 分析得到了埋设2 0 m 换热器 在进口水温3 5 时连续放热4 天后热作用半径可达2 m 04 第二章垂直埋管式换热器实验研究 1 62 0 84 8 1 2 1 62 0 时同 h 时间 h 图2 1 2 换热器i 放热工况下土壤温度变化曲线 1 5 p v 燃蝎 一p v 世赠 p v 毯珥 p 毯踞 2 l h 闻对 8 p 避掰 第三章埋地换热器内热源模型研究 第三章埋地换热器内热源模型研究 土壤源热泵研究的核心问题集中在埋地换热器与土壤源 周围土壤 之间的 耦合关系上 涉及到换热器与土壤两个方面 本章要建立内热源型埋地换热器的 物理和数学模型 对于换热器 本文提出内热源型模型 将换热器视为等效的内 热源 区别于以k e l v i n 线源理论为基础的线热源 圆柱热源及e s k i l s o n 模型 内热源型模型中 换热器直接以热源项形式出现在控制方程中 而不再作为热流 条件 换热器冬季从土壤中吸热 热源项为负值 夏季向土壤排放热量 热源项 为正 对于换热器周围土壤 将其考虑为骨架结构稳定的多孔介质 综合热质传递 因素 比以往单纯考虑土壤导热的解决方法更加全面和准确 3 1 土壤物性 土壤是由裸露于地表的坚硬岩石 在漫长的岁月中 经过极其复杂的风化过 程和成士过程而形成的 它经过数十亿年发展变迁 其中蕴涵有丰富的能量 3 1 1 壤物理性质 土壤是一个非均匀 多相 颗粒化 分散和多孔的系统 其中包括有三相 固相 由土粒组成 液相 包括土壤水 其中常含有溶解物质 以及气相 包括 空气和水蒸汽 由此可以了解土壤是一个极其复杂的系统 它的固体基质包括化 学和矿物学组成不同及大小 形状和排列不同的土粒 这些土粒的排列和组织 决定了孔隙的特征 水和空气就在孔隙中传导和保存 水和空气的组成也随时间 和空间而变化 图1 是土壤的示意图解 它将帮助我们确 定土壤三相间的容积和质量关系 全部图形代 表土壤的总质量和总容积 它分成三个部分 图的右边标注三相之间的质量关系 气体 质量 磊 极微 常近似为0 液体的质量m 固体质量 乐总质量 厶相同部分的容积注 在图的左边 气体容积赡 液体的容积 孑l 隙的容积 珞 固体容积k 土壤总 容积y 根据这一图解 将确定一般用来表示 f 肇 气体 毕 l h f f i 缓 if 图3 1 土壤三相系统示意图 第三章埋地换熟器内热源模型研究 土壤三种原始成分间定量相互关系的各项术语 1 固体密度 平均土粒密度 岛 舻等 绝大多数的矿质土壤 土粒平均密度约为2 6 2 8 9 e r a 3 含有有机质时成数 值降低 一般粘性土 土壤名称 砂土 有机质土泥炭 粉土粉质粘土粘土 固体密度2 6 5 2 6 92 7 0 2 7 1 2 7 2 2 7 3 2 7 4 2 7 62 4 0 一2 5 01 5 0 1 8 0 2 千容重见 p b 等2 去 千容重表示土粒的质量与土壤总容积的比 它显然小于几的数值 如某土 壤的孔隙占总容积的一半 则岛为n 的一半 3 总 湿 容重p d 丝 些 丝 矿 以 巧 这是单位容积湿润土壤总质量的一种表示 湿容重较干容重更为强烈的决定 于土壤湿度或含水量 4 孔隙度占 占 互 盟 y矿 孔隙度是土壤中孔隙相对容积的一个指标 其数值一般在0 3 0 6 范围内 粗质地土壤一般不如细质地土壤多孔 但每一孔隙的平均孔径却是前者大于后 者 在粘质土壤中 孔隙度强烈的随土壤交替的膨胀 收缩 团聚 分散 紧实 和裂开而变 一般所确定的孔隙度一词是指孔隙所占的部分容积 但其数值 平 均来说应该等于面孔隙度 代表性横断面上的孔隙部分 以及平均的线孔隙度 与 由任何方向通过土壤的一条线上相交的孔隙的部分长度 5 土壤湿度 土壤湿度或相对含水量可用不同方式表示 以固体质量为准 以总质量为准 第三章埋地换热器内热源模型研究 以固体容积为准 以总容积为准等 常用的指标如下说明 5 a 质量湿度w w m 这是对干土粒质量而言的水的质量 常称为 质量含水量 干土 一词一 般确定为在1 0 5 3 2 烘箱中干燥到平衡的土壤 尽管在这样的干燥程度上 甚至在 更高的温度 粘粒还常常含有可观数量的水 在矿质土壤达到饱和时 w 可以在 2 5 6 0 范围内 视容积而定 粘质土壤的饱和含水量一般比砂质土壤高 有 机土壤如泥炭土或腐泥土 它的饱和含水量以质量计有时可以超过1 0 0 5 b 容积湿度口 学 旦 匕 v 名 巧 一 容积湿度 常称为 容积含水量 通常是以土壤的总容积为基础计算 而 不是单独以土粒容积为基准 在砂质土壤 饱和p 的数值在4 0 5 0 上下 在中 等质地土壤 它接近5 0 在粘质土壤 它可以达到6 0 5 c 饱和度舻 l 珞 巧 饱和度表示土壤中水容积与孔隙容积的比 妒值的范围从千土时为0 到完全 饱和时为1 0 0 3 1 2 土壤中的水 土壤水和自然界中其它物体一样 含有不同数量和形式的能 经典物理学分 别出两种主要的能的形式 动能和势能 由于水在土壤中的运动很慢 它的动能 一般认为可以忽略 另一方面 势能则是决定土壤水的状态和运动的极为重要的 因素 土水势即是表明与标准参照状态下的水相比 土壤水的特定势能 水势的 概念最初由b u c k l n g h 哪在其经典的 目前仍适用的关于 毛细势 的论文中应 用到土壤水 g a r d n e r 指出水势依含水量而定 r i c h a r d s 发明了张力计 以在原 地测定水势 1 9 6 3 年 国际土壤学会土壤物理学术语委员会定义土水势为 可 逆的和等温的从在特定高度和大气压下的纯水池转移极少量水到土壤水 在研究 中的点 每单位数量的纯水所必须做的功 1 3 j 土水势y 对于给定土壤可方便的查出各个湿度下的妒 p h i l i p 和d e v r i e s 1 9 5 7 年 提出y 由张力系数决定 1 9 第三章埋地换热器内热源模型研究 一2 0 r y m2 p i r i 盯是表面张力系数 r j 是水一空气表面曲率的平均数 是湿度的函数 所以 等 丢等 等等2 隅 式中 r 三冬表面张力温度系数 1 7 a l 3 1 3 壤热物性 1 土壤比热容c 土壤是一个多相体系 其各组分的热容量相差很大 见表3 2 土壤水分的 热容量最大 为固相部分的两倍左右 为空气的3 0 0 0 倍以上 因此 壤热容 量首先决定于土壤水分状况 土壤水分越大 则其热容量越大 温度变化就越慢 反之 土壤水分越少 则其热容量越小 温度变化也就越快 其次 还决定于土 壤的矿物组成和机械组成 一般说来 砂性土壤热容量比粘性土壤小 因此砂性 土自天升温快 两粘性土升温慢 2 土壤导热性 土壤导热性是土壤传导热量的性能 它决定于土壤固相物质的组成与土壤中 水分和空气的相对含量 土壤固相物质的导热率最大 约为0 8 4 2 5w m 并且不同固相物质的导熟率也不一样 空气的导热率最小 为0 0 2 1w m 水导热率较大 为0 5 w m 土壤导热系数的确定是比较复杂的 它和土壤质地 干土壤密度及土壤含永 率有关 通常由实验确定 实验方法一般为探针法 一些研究者认为通过探针法 测得的数据即为土壤导热系数 但也有研究者认为实验所得数据只不过是一个表 象数值丑w h a r t l c y 和b l a c k 在1 9 7 6 年通过实验 得出 k 与土壤导热系数 土 壤中水的密度以及质扩散系数之间的关系f 川 a 在土壤含水率很低时 k 近似为干土壤的导热系数z b 在土壤含水率很高时 五御 五 岛 q i rn i c 在土壤含水率居中时 k 2 p t h t v d r ii 一斧f 第三章埋地换热器内熟源模型研究 3 土壤热扩散率口 热扩散率又叫导温系数 它表征了土壤传递温度变化及消除土壤不同部分之 间温差的快慢和难易的性质 其定义式为口 a 俨 热扩散率随土壤质地 干密 度和含水率的大小而变化的 表3 2 土壤各组分比热容及导热系数 土壤组成部分 比热 j k g 导热系数 w m 石英砂8202 4 3 石灰8961 6 7 粘粒9 3 3 0 8 7 泥炭 1 9 9 7 0 8 4 水分4186o 5 0 土壤空气1 0 0 50 0 2 1 3 2 地表浅层地温能 地表浅层土壤地温能主要来源于太阳辐射和地热能 1 太阳辐射能 太阳辐射能是土壤热量的主要来源 太阳中心温度达到2 0 0 0 0 0 0 0 太阳 表面的温度约有6 0 0 0 2 所以太阳的辐射能是极其巨大的 在太阳向四周放射 出去的全部能量中 有2 0 亿分之 n 达地球表面 地表浅层好象一个巨大