地源热泵岩土热物性参数影响因素和不确定性研究

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1、地源热泵岩土热物性参数影响因素和不确定性研究　　摘要：利用二维准非稳态传热模型结合双参数估计法，分析测试时间，岩土初始平均温度，U形管管间距,回填材料导热系数等参数的不确定性对岩土导热系数λs，岩土容积比热容ρscs的影响,为地源热泵空调系统的设计提供一定的技术支持。关键词：地埋管地源热泵；岩土热物性参数；不确定性；影响因素中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：1前言地埋管地源热泵由于具有节能的特点在国内外已得到广泛应用。地埋管的换热量是地埋管地源热泵系统的关键,也是系统设计的重要依据。8设计地源热泵

2、地下换热器需要准确的岩土热物性参数，包括岩土综合导热系数λs，岩土容积比热容ρscs，钻孔内总热阻Rb。目前国际上较典型的热物性测试方法为热响应方法(TRT)。该方法基于无限长线热源模型,由Mogensen首先提出[1]。Austin等人利用二维数值模拟结合参数估计法研究了钻孔周边的土壤导热系数,同时在中型实验室中用实验证实了结论的正确性,分析了土壤远处未扰温度、土壤比热容、测试时间、钻孔几何尺寸等因素对导热系数的影响[2]。在热响应测试过程中，有诸多不确定性因素影响着岩土的热物参数的准确获取，从而影响地源

3、热泵系统换热量的准确性。本文利用线热源模型结合双参数估计法，分析测试时间，岩土初始平均温度，U形管管间距，回填材料导热系数等参数的不确定性对岩土导热系数λs、岩土容积比热容ρsc的影响。2二维准非稳态传热模型国内外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模型是线热源模型的结论，当时间足够长时，线热源模型的τ时刻循环介质平均温度可近似表示为[3][4]：，（1）单U形管钻孔传热热阻的解析表达式为[5][6]：（2）式中：Tf为埋管内流体平均温度，℃；Tff为无穷远处土壤温度，℃；τ为时间，s；ql为单位长

4、度埋管释放的热流量，W/m;8Rb为钻孔内的总热阻，K·m/W；λs为岩土导热系数，W/(m·K)；db为钻孔直径，m；ρscs为岩土的容积比热容，J/(m3·K)；γ为欧拉常数，γ≈0.577216；di为埋管内径，m；do为埋管外径，m；λb为钻孔回填材料导热系数，W/(m·K)；D为两根埋管的中心距，m；λp为埋管管壁导热系数，W/(m·K)；h为循环介质与U形管内壁的对流换热系数，W/(m2·K)。式（1）和式（2）有两个未知参数，岩土的导热系数λs和容积比热容ρscs，利用双参数估计法可以求得上述

5、两个参数，即岩土综合热物性参数[3]。3现场测量实例和结果讨论采用岩土热物性测试仪[7]对湖北某地源热泵测试井进行了现场测量，测试情况如下：测试井直径：140mm，测试井有效深度：101m，埋设De25的HDPE（高密度聚乙烯）单U管，内径20mm，埋管管壁导热系数为0.45W/(m·K)，钻孔回填材料导热系数：2.25W/(m·K)，埋管间距：0.05m,岩土初始平均温度：19.2℃。记录的埋管进出口流体平均温度随时间变化如图1所示。将测试井参数以及岩土热响应试验装置记录的流量、功率等输入二维准非稳态传热

6、模型，结合双参数估计法，在不同的情况下反演得到岩土综合热物性参数。图1埋管进出口流体平均温度变化曲线3.1测试时间的影响取不同的测试结束时间，其它条件不变，得到岩土综合热物性参数如图2所示：(a)测试时间对岩土导热系数的影响8(b)测试时间对岩土容积比热容的影响图2测试时间对岩土综合热物性参数的影响由图2可知，测试时间不同，得到的岩土导热系数和容积比热容不同，小于30h时，结果波动比较大，随着时间的推移，结果趋于稳定。在45小时后，岩土导热系数和容积比热容分别维持在1.973~1.977W/(m·K)和2.

7、79×106~2.80×106J/(m3·K)，变化很小，考虑实际测试的成本，测试时间为48小时能够保证测试结果的准确性。3.2岩土初始平均温度的影响改变岩土初始平均温度值,其它条件不变，得到岩土综合热物性参数如图3所示:(a)岩土初始平均温度对岩土导热系数的影响(b)岩土初始平均温度对岩土容积比热容的影响图3岩土初始平均温度对岩土综合热物性参数的影响随着岩土初始平均温度增加，岩土导热系数和容积比热容成直线上升。当岩土初始平均温度变化0.4℃时,8计算出的岩土导热系数和容积比热容变化范围分别为0.01~0.

8、02W/m·Ｋ和0.52×106~1.30×106J/m3·K。以实测岩土初始平均温度19.2℃为基点，温度偏差0.4℃即2.08%时，岩土导热系数和容积比热容计算结果最大偏差分别为1%和34%。这说明当采用双参数估计，岩土初始平均温度对导热系数影响较小，对容积比热容影响较大，因此测量岩土初始平均温度一定要准确,应在钻孔完成数天后等岩土的温度恢复至初始值再测量。3.3U形管管间距的影响改变U形管管间距,其它条件不