关于大地导热系数的测定

关于大地导热系数的测定摘要：借鉴国内外的经验，设计了测试设备，用来测试垂直钻孔条件下的大地导热系数及相关参数。经过实际测试的检验，验证了该设备使用的可行性；并且介绍了后期数据处理的方法，具有一定的现实意义；其数据的可靠性。与两个因素有关，：一是测试要在未曾投入运行的钻孔中进行，以保证土壤处于未受热扰动的状况下，二是测试需要不间断的运行几个昼夜或一段时间，时间的长短受到不同地质状况和热环境的影响来决定。关键字：土壤换热器大地导热系数现场测试引言北工大地热供暖示范工程课题组于2000年底开始，在实验室设计了土壤源热泵实验系统。对其进行持续分析研究，并进行了多项配套工程的中试研究。大地导热系数，是设计土壤换热器很重要的参数，它包含了土壤，回填料，以及塑料管壁等综合的导热系数；国外研究人员通过实验测出土壤和岩石两类的导热系数[1]，其数量级可以由0.4W/(M℃)至6.0W/(M℃)；且随其密度及湿度不同；在提高回填材料的导热系数上，也进行了多方面的实验改进；经我们测算[1]，在常用的范围内，大地导热系数若增加一倍，所需要的垂直地埋管长度，可以减少20%以上；由于设计人员只能在某种土壤或岩石导热系数范围内，采用较低值，导致设计钻孔的数量比实际需要的多，增加了项目成本。进行大地导热系数的现场测试，目的就是降低这种综合的不确定性。为土壤换热器提供更经济的设计。1现场测试的原理和设备：1.1测试及计算的基本原理：为了进行大地导热系数的现场测试，应在要进行实测的地方钻一个孔，安装好管路，填好回填料，将管路中循环的水与一个恒定的热源相连，测量输入功率及进出口水温。掌握了这些值，就可以通过一个实际的模型得到导热系数。在这个模型中，假定钻井周围的构造都处于不受热扰动影响的温度场内，且经过一定的时间，可得到向钻井散出的热量的热扩散率，满足了这些条件，就可以应用简化了的线热源公式。该公式形式如下面[1]式（1）----式（5）所示：(1)式中：T——流体温度，k;Pi—常数，3.14159;A——常数;k——导热系数，W/m•K;Q——热传导率，W;t——时间，h;式(1)中的温度T，可用地埋管进出口液体温度的谐和平均值，见式（4）；经过变形化简后，式(1)可以得出用来求导热系数k的式子[1]：(2)式(2)中:(3)Cp——流体的比热容，水：4176J/(Kg•K)，质量百分比为25%的防冻液：3831J/(Kg•K)ρ——流体的密度，匀水：巴1000Kg炊/m陈3仅，质量百分比践为涝25矮%至的防冻液：撑1030K刘g柿/m裳3滩q朱袄—骡—纤流量柏，携m游3跳/s幼T油in耀、启T接out西灭—球—额U态型管进出口流蚀体温狼度衣(麦℃幼)艳Depth-抬-----址-院指钻孔中石从光U稀型管底部至地秧表的距离来，蚕m慰。肠Slope-昌-----款-炒该值确定方法姓如下：芦绘制管道平均购温羡度妖—刮时间曲勉线越:颠事刃拦(许4)竟绘制半对数调姓和曲罩线随侄：免婚y矿轴为管道中流腐体的谐和平均眯温度疾值缸横x陆轴为时间的自颜然对润数介雕定义梯度慰为复:献偶暮（顽5酷）遍式辛(5属)葱中：脚壁码劲1鉴为图中的曲线心部分开始形成欢直线的时间同，扑社作缴但脚盏码偶2饮为接近常数热被量测试阶段末三期的时间掠。埋住1.2服询测试设备及其巡选择喂：抹狡见图三，图四草：扫图侦3她糕热泵－水箱式呢测试装置流程航图渴晋沙图辱4岸粱电加热式测试雁装置流程置图波效溪遭热泵－水箱近式凑.廊图成3燥中，将温度传占感效器棍T1,T棉2僻等接入数据采鉴集系统之中，茎通过设定，每拨隔一段时间采您集一组数据，磁系统运行时，茧应保证通肆过炒U道型管的流量恒煮定；并可以做悠吸热和散热两螺种工况；冷热束源由热泵直接证提供，或通过露水箱提供。这臭桨电加热式份图待4雷中，给消定剖T距1采和猛T愁2颈的温差，通过夏调节电加热器关的输出功率达幅到此指定温差畜。同时也可以纠通过系统来现狡场测量单个钻等孔的其他特性帖。但是本方法是只能测定散热舌工况。对于导昨热系数来说，预散热和吸热应骡该有同样的结甩果。递脾床电加热式与热哗泵－水源式相增比较腊电加热式不仅哀更为小巧、轻易便，更易于搬挥运。并且，测诉试数据容易稳依定；热泵－水脖箱式测试装置傻系统，可以在预低温下测试吸型热工况；但是贩测试数据不容蚊易稳定绘；槐晓2壁押现场测试的数密据处理：丈现举例说明厚：叙趟通过电加热，孟测试装置得到轻某砂层地况现漫场测试的数据六，利物用顷1.那1倘中所述方法绘日制出其相应德的紫T绝－弱lnt黄闭数据曲线，见秒图桶5冤。图中状近态为1鞋坐标挤为存(111塌0袄，亩19.516阵97各)具，状傍态我2徒为编(235扰0挥，某20.209剩23念)娘。系统流运量南q语为叙0.6m克3锯/颜h裙，流体为质量惊百分比父为夺25灶%但的乙二醇水溶另液，密度为旺1030Kg乓/m鄙3蔑，比热婆为毒3.831K仇J/Kg·勇K烛，流体进出口华平均温度分别举为设17.486陪9逆5饼℃挎和芬20.976脆7燃4魄℃齿。地埋管深度沿为它90m拔月。森计算大地导热轻系数如下：建吸热量班：姥=2.29睬5(KW)闸温度梯度致：队乐＝尤0.23K隐大地导热系数返：拢基＝上2.2W/m撒·K屋通常砂质土壤才地层的土壤导王热系数的范围谁在榴：秒1.墙0缘～糖2.4W/竟m·棍K牢，所得数据符湖合这一范围沃，觉结论最1天