240_單u型地埋管熱響應(yīng)測(cè)試及換熱特性分析

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1、單U型地埋管熱響應(yīng)測(cè)試及換熱特性分析重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐永軍盧軍摘要：介紹了巖土熱響應(yīng)測(cè)試的原理及方法，用自行設(shè)計(jì)研發(fā)的巖土熱響應(yīng)測(cè)試裝置，對(duì)重慶地區(qū)3個(gè)單U型地埋管進(jìn)行了不同加熱量熱響應(yīng)測(cè)試，采用線熱源理論計(jì)算了土壤導(dǎo)熱系數(shù)。并對(duì)不同換熱量下地埋管的換熱特性及運(yùn)行進(jìn)行了分析研究，得出采用線熱源模型，以符合地源熱泵高效運(yùn)行的加熱量進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試至少要進(jìn)行40h才能計(jì)算得到穩(wěn)定合理的土壤導(dǎo)熱系數(shù);地源熱泵運(yùn)行前期熱量主要用于鉆孔內(nèi)循環(huán)水、回填材料及管壁的溫升，加熱量越大，溫度上升越快；運(yùn)行后期以鉆孔內(nèi)的熱量向鉆孔外熱容量較大的土壤傳遞釋放為

2、主，傳熱量穩(wěn)定，鉆孔內(nèi)溫度上升減緩；合適的換熱量才有利于地源熱泵的長期穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵字：地源熱泵；熱響應(yīng)測(cè)試；巖土導(dǎo)熱系數(shù)；地埋管換熱特性1.引言土壤導(dǎo)熱系數(shù)是地源熱泵地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[1][2]，它是影響地埋管換熱的關(guān)鍵因素。在一定負(fù)荷條件下，井孔的數(shù)量和深度很大程度上取決于土壤導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)?shù)叵聨r土的導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)叵禂?shù)發(fā)生10%的偏差，則設(shè)計(jì)的地下埋管長度偏差為4.5%~5.8%[3]。埋管長度的偏差將導(dǎo)致鉆孔總長度的變化,而鉆孔的成本是很高的[4]。地埋管與周圍土壤的換熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，不同的換熱量會(huì)影響到地源熱泵的長期運(yùn)行。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)重慶

3、地區(qū)3個(gè)單U型地埋管不同加熱量的土壤熱響應(yīng)測(cè)試，模擬地下?lián)Q熱器真實(shí)運(yùn)行時(shí)的情況，測(cè)試地埋管運(yùn)行過程中U型管進(jìn)出口水溫及溫差的變化，可以得出不同加熱量下土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，并對(duì)地埋管換熱特性及運(yùn)行進(jìn)行了分析，為地源熱泵的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。2.土壤熱響應(yīng)測(cè)試2.1熱響應(yīng)測(cè)試原理熱響應(yīng)測(cè)試原理是對(duì)地埋管進(jìn)行持續(xù)的恒熱流加熱，根據(jù)U型管進(jìn)出口水溫隨時(shí)間的變化規(guī)律計(jì)算出土壤的綜合導(dǎo)熱系數(shù)。目前計(jì)算地?zé)釗Q熱器與周圍土壤換熱較為成熟的模型有線熱源模型和柱熱源模型[5]。本文按照規(guī)范[6][7]，采用線熱源理論對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)模型化簡后得出了時(shí)刻U型管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)平

4、均溫度與時(shí)間的對(duì)數(shù)值呈直線變化關(guān)系，如式1所示?！?（1）…………………………………..（2）式中──循環(huán)介質(zhì)進(jìn)出口平均溫度(℃)；─單位延米鉆孔的放熱量(W/m)；—土壤導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；—時(shí)間(s)。根據(jù)1式，利用最小二乘法擬合出直線斜率k，代入2式就可以求出土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)。2.2熱響應(yīng)測(cè)試裝置根據(jù)測(cè)試原理，研發(fā)了土壤熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試裝置，裝置原理如圖1所示。測(cè)試裝置主要由加熱水箱、循環(huán)水泵、溫度傳感器、流量計(jì)、壓力表和數(shù)據(jù)采集儀等構(gòu)成。1.循環(huán)水箱；2.電加熱管；3.玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4.壓力表；5溫度計(jì)；6.鉑電阻溫度傳感器；7.銅球

5、閥；8.循環(huán)水泵圖1.熱響應(yīng)測(cè)試裝置原理圖試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，通過計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀和溫度傳感器來自動(dòng)讀取和記錄U型管進(jìn)出口水溫，水流量則用轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行人工讀取。2.3現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試采用自行研發(fā)的巖土熱響應(yīng)測(cè)試裝置，于2009年12月對(duì)重慶地區(qū)3個(gè)單U型地埋管進(jìn)行了不同加熱量的熱響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為48小時(shí)。地埋管和測(cè)試參數(shù)如下：鉆孔直徑為130mm，HDPE管導(dǎo)熱系數(shù)為0.48W/m·K，外徑為25mm，內(nèi)徑為20mm，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)為2.25W/m·K?？?、孔2和孔3的單位鉆孔深度加熱量分別為：69W/m、45W/m、29W/m。2.3.1巖土初始溫度測(cè)試按

6、照設(shè)計(jì)要求對(duì)鉆孔進(jìn)行下管、回填及灌水，再讓其放置48小時(shí)，待測(cè)試孔內(nèi)巖土溫度恢復(fù)至巖土初始溫度后，在充滿水的PE管中插入PT100鉑電阻溫度傳感器，測(cè)試沿鉆孔每隔10m的水溫，然后求取各點(diǎn)溫度平均值作為巖土的初始溫度。2.3.2巖土熱響應(yīng)測(cè)試將熱響應(yīng)裝置與單U型埋管連接，然后啟動(dòng)循環(huán)水泵讓水在環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，自某一時(shí)刻起對(duì)水按測(cè)試參數(shù)對(duì)試驗(yàn)孔連續(xù)進(jìn)行恒熱流加熱，并開始以5分鐘為間隔記錄U型管進(jìn)出水水溫及測(cè)試時(shí)間，直至回路中的進(jìn)水口水溫穩(wěn)定，即在不少于12h的時(shí)間內(nèi)，U型管出口水溫波動(dòng)小于1℃，且U型管出口水溫高于巖土初始平均溫度5℃[7]，然

7、后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。3.測(cè)試結(jié)果分析3.1土壤初始溫度采用如上方法測(cè)試得到了3個(gè)孔土壤初始溫度，孔1為19.63℃，孔2為19.62℃，孔3為19.42℃。鉆孔不同深度土壤初始溫度如圖2所示。圖2.不同深度土壤初始溫度由孔1、孔3地溫測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，大地10m以下的地溫都比較穩(wěn)定，溫度范圍是19.2~20.0℃，波動(dòng)溫度僅為0.8℃，以深層土壤作為熱泵的熱源和熱匯，可以獲得較高的運(yùn)行性能系數(shù)。而孔2測(cè)試的地溫沿巖土深度方向由17.7℃上升到了21.0℃，說明在鉆孔結(jié)束后48小時(shí)，鉆孔內(nèi)溫度還未完全恢復(fù)到大地初始溫度。故應(yīng)該根據(jù)鉆孔的深度、鉆

8、孔工藝和地質(zhì)條件，在鉆孔完畢后，讓其放