地埋管换热孔换热系数及其在工程设计中的应用研究

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1、20ll2Ol1Vo1．6No．2杨俊伟等；地埋管换热孔换热系数及其在工程设计中的应用研究第6卷第2期地埋管换热孔换热系数及其在工程设计中的应用研究杨俊伟，冉伟彦，佟红兵(1．北京市地质矿产勘查开发局、中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心，北京100195，2．北京市地质勘察技术院，北京102218)摘要：浅层地温能是一种清洁，环保可再生的自然资源，通过热泵系统消耗少量电能即可用于建筑物供暖制冷，在节能减排中发挥着越来越重要的作用。针对目前地埋管换热系统单位延米换热功率在设计中应用混乱的问题，本文从公式推导及现场试验数据分析出发，研究了国家标

2、准《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)和国土资源部行业标准《浅层地热能勘查评价规范》(DZ0225-2009)中关于现场热响应试验的方法及理论计算的关系，导出单孔的换热系数是单位热阻的倒数，它可以代表埋管的换热能力。提出其与直接测出单位延米换热功率的区别，从而指导工程方案制定。关键词：浅层地温能；地埋管换热系统；换热系数中图分类号：TK529文献标识码：A文章编号：1007-I903(2011)02-0045-040序言土热物性参数和运行工况，在行业中存在较大的争议。现场热响应试验是获得岩土热物性参数的重要方地源热泵系统已成

3、为一种新型供热／制冷方式，通法。目前，国家标准《地源热泵系统工程技术规范》过热泵机组提升温度的品位为地上建筑服务，而能量(GB50366—2005)(2009年版)、国土资源部行业标准《浅来源于地下也就是我们所说的浅层地温能资源。浅层层地热能勘查评价规范》(Dz0225—2009)对现场热响地温能作为可再生能源家族新成员，具有可持续利用、应试验做了相应规定。本文从理论推导及长时间试验取用方便、高效节能、系统运行费用低等优点，是重数据分析出发，进一步研究两规范中热响应试验方法要的本地化、可再生无污染的资源，受到国家及各地及理论计算的关系，导出单孔

4、换热系数，提出其在计方政府的高度重视，市场正蓬勃发展。浅层地温能开算单孔换热功率中的作用，这将在指导或验证工程设发用方式主要包括地下水地源热泵系统和地埋管地源计方面有重要意义。热泵系统。地下水地源热泵系统受到水文地质条件的限制，1理论推导及试验数据处理同时各地出于对地下水资源的保护出台了相应限制发展的政策，导致地下水地源热泵系统发展速度变缓，由《地源热泵系统工程技术规范》(2009年版)附大部分地区更多的采用了地埋管地源热泵系统。地埋录C给出的某时刻循环介质平均温度公式，可推导得管换热系统关键之一是从地下取热和排热的热交换过出每延米换热功率：程

5、，换热量与岩土体热物性、换热温差等有关，需要测定岩土体的热物性参数，较地下水地源热泵系统复==㈩杂。目前，我国的岩土体热物性参数及地温场的原始参数较少，工程设计缺乏依据。之前比较常用的方法尼=1层(db2,oscs是按照现场热响应试验得到的每延米换热量来指导地4兀、6)(2)f(21埋管地源热泵系统的设计和应用，但是由于没考虑岩本文获北京市优秀人才培养专项经费资助。2011第6卷第2期技术应用2011V01．6NO．2(1)式中：(2)式中：Q为单孔换热功率(w)；s，为埋管周围岩土的导热系数，[W／(mK)]；L为为埋管长度(m)；，为钻孔直

6、径(m)；q为单位长度埋管释放的热流量(W／m)；Cs，埋管周围岩土的平均比热容[J／(kg℃)]；风为为钻孔灌浆回填材料的热阻(ml<／W)；ps，岩土周围岩土的平均密度(kg／m)；t为为地埋管换热器中传热介质的平均温度(℃)；，时间(S)；t。。为为埋管区域岩土体原始地温(℃)；由《浅层地热能勘查评价规范》中的公式可推导尺为钻孔外岩土的导热热阻(mK／W)，出每延米换热功率为：Q～Itl-I—I一l一：——————-----————————一=———————---————————————---—-———————-—---：——————．—

7、—--．．—————-．．．．．．一L／~+R2+R3lI1+lI1+ln(3)——m一+——m一+——In一2／-~1／'12rc22／'22／1：~,3／'3(3)式中：Q，单孔换热功率(w)；定值，不能直接用于计算管长。有必要将其归一化为“换L，为埋管长度(m)；热系数”。t。，为地埋管换热器中传热介质的平均温度(℃)；由式(1)(2)可得：t，为埋管区域岩土体原始地温(℃)；．，地埋管材料的热导率(W／m·k)(PE管为0．42南t1．toof=尼+尼1+尼一㈩W／m‘k1：，换热孔中回填料的热导率(W／m·k)；1==，换热孔周围岩土

8、体的平均热导率(W／m·k)；tl-to。l尼+尼(5)r。，地埋管束的等效半径(m)，单u为管内径的√2倍，双u为管内径√4倍；我们定义K为换热孔每