垂直埋管地源热泵系统设计中含水土壤导热系数的计算(1)

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1、垂直埋管地源热泵系统设计中含水土壤导热系数的计算南京师范大学夏晨余跃进王韬胡洪摘要:土壤导热系数是垂直埋管地源热泵设计和研究过程中最基本、最关键的参数。对含水土壤导热系数的传统计算方法进行了探讨，提出了一种新的，更精确的计算含水土壤导热系数的计算公式。通过实验与比较，验证了新方法的正确性。本文的研究结果为地源热泵的设计与研究提供了有价值的参考。关键词：地源热泵含水土壤导热系数1前言地源热泵具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。随着地源热泵技术的逐步发展，其运行性能也在不断提高。为了使其更好地发挥节能减排效应，许多学者相继对

2、影响地源热泵运行性能的相关因素进行了讨论。其中包括土壤的热物性、回填材料的导热性能、换热器进口水温及流速大小、钻井深度、管腿中心距和换热器管材等。在这其中，土壤的热物性对地源热泵系统的性能影响较大。它是地源热泵系统设计和研究过程诸多环节中最基本、最重要的参数，它直接和地源热泵系统的埋地换热器的面积及运行参数有关，是计算有关地表层中的能量平衡、土壤中的蓄能量和温度分布特征等所必需的基本参数。而就某种特定的土壤来说，对地埋管换热器影响最大的就是土壤的含水量。研究表明[1]，干燥土壤的地源热泵的性能系数COP要比潮湿土壤的COP低35%，当土壤含水量

3、低于15%时，随着含水量的降低。热泵的循环性能系数将迅速下降。虽然研究人员已经对土壤热物性作了很多究[2、3]，并且给出了一些土壤热物性参数的经验计算公式,但是含水分土壤热物性的测量一直是一个难题。土壤热物性数据的偏差将直接影响到地源热泵的经济性以及运行的可靠性。为此，我们提出一种新的适用于计算含地下水的土壤导热系数的公式，并加以实验应证。2传统含水土壤导热系数的测量2．1现场测量法对于水平埋管地热换热器，土壤导热系数较容易测定。常用探针法确定浅层土壤导热系数[4]。对于含水的深层地下岩土导热系数的测量，目前还没有文献研究。再者，现场测量深层地

4、下岩土的第18页导热系数，前期势必需要做大量的试验，这将大大增加初投资，延长工程的期限。2．2简单组合法目前，在研究考虑含水土壤与垂直埋管之间的传热问题时，多采用这种方法来计算含水土壤导热系数[5]。这种方法的物理背景与构思，就是将地下土壤看作由相互平行的圆柱形空隙，通道分布在其中，水在通道内流动。在上述模型构思中，假定热流方向平行于多孔空隙通道，那么通过固体的导热和通过流体的导热同时发生。设固体与流体之间没有热交换，则其有效导热系数（1）式中，e,f分别为流体与固体的导热系数，ɛ为土壤的空隙率。由于土壤结构通常都是相当复杂的，而上述模型过于简

5、化，并且也未考虑含水率的不同所导致的导热系数的差异，故其预测准确度也较差。2.3改进后的新模型为了使计算得到的土壤导热系数更加精确，我们要确定影响土壤导热系数的各种因素，包括：含水率（），矿物质组成，温度，干密度，孔隙率等。其中，含水率的不同又会引起其它物性的改变。因此，新模型将基于诸多容易测得的土壤参数上。Johansen在1975年提出了“标准化”导热系数[6]的概念，并且建立了基于土壤饱和度（Sr）以及矿物质构成的模型，从而得出了较为简洁的经验公式（）。对于多数土壤，Johansen模型对于的预测值都较为精确[7]。2007年，Lu等[8

6、]所做的实验表明，在低含水率的情况下，这种经验公式的预测准确度并不是很高。沿用Johansen建立的基本经验关系式，根据土壤在干燥状态和饱和状态下的导热系数以及Ke(kersten系数)，建立了关于和Ke的线性方程关系式。其表述如下：（2）和分别表示干燥状态下和饱和状态下土壤的导热系数。Johansen将kersten系数表述成一个关于含水率，或者饱和度的关系式（Sr=/s，在这里s是饱和土壤的含水率）。对于粗质土：第18页（3）对于细质土：（4）预测的值，基于固体土壤导热系数和水的导热系数建立的一个几何平均数：（5）表示土壤空隙率，是水的导热

7、系数，20℃时，为。的值由固体土壤的石英含量（ɑ）、石英以及非石英矿物的导热系数(、)的几何平均关系式所决定（）：（6）当ɑ>0.2时，取，当时，则取。Johansen用一个半经验关系式来得到：（7）（）是块状土壤的密度，具体参见表1。2700（）是固体土壤的密度。表1块状土壤的密度Table1densityofbulksoil分类结构含沙量（%）粉土（%）粘土（%）（）1砂土93151．602砂壤土6721121．393砂粘土4049111．304粉沙壤土2751221．335粘砂土3238301．296壤土504191．387粘壤土2732

8、51．20第18页虽然Johansen模型具有一定的精度，但是Lu等指出，在預測含水量较低的细质土壤時，这种模型的预测准确率并不高。于是Lu等对模型进