240_单u型地埋管热响应测试及换热特性分析

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1、单U型地埋管热响应测试及换热特性分析重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室徐永军卢军摘要：介绍了岩土热响应测试的原理及方法，用自行设计研发的岩土热响应测试装置，对重庆地区3个单U型地埋管进行了不同加热量热响应测试，采用线热源理论计算了土壤导热系数。并对不同换热量下地埋管的换热特性及运行进行了分析研究，得出采用线热源模型，以符合地源热泵高效运行的加热量进行热响应测试至少要进行40h才能计算得到稳定合理的土壤导热系数;地源热泵运行前期热量主要用于钻孔内循环水、回填材料及管壁的温升，加热量越大，温度上升越快；运行后期以钻孔内的热量向钻孔外热容量较大的土壤传递释放为

2、主，传热量稳定，钻孔内温度上升减缓；合适的换热量才有利于地源热泵的长期稳定运行。关键字：地源热泵；热响应测试；岩土导热系数；地埋管换热特性1.引言土壤导热系数是地源热泵地下换热器设计的重要参数[1][2]，它是影响地埋管换热的关键因素。在一定负荷条件下，井孔的数量和深度很大程度上取决于土壤导热系数，当地下岩土的导热系数或导温系数发生10%的偏差，则设计的地下埋管长度偏差为4.5%~5.8%[3]。埋管长度的偏差将导致钻孔总长度的变化,而钻孔的成本是很高的[4]。地埋管与周围土壤的换热是一个复杂的非稳态过程，不同的换热量会影响到地源热泵的长期运行。通过现场对重庆

3、地区3个单U型地埋管不同加热量的土壤热响应测试，模拟地下换热器真实运行时的情况，测试地埋管运行过程中U型管进出口水温及温差的变化，可以得出不同加热量下土壤的导热系数，并对地埋管换热特性及运行进行了分析，为地源热泵的设计和运行提供参考。2.土壤热响应测试2.1热响应测试原理热响应测试原理是对地埋管进行持续的恒热流加热，根据U型管进出口水温随时间的变化规律计算出土壤的综合导热系数。目前计算地热换热器与周围土壤换热较为成熟的模型有线热源模型和柱热源模型[5]。本文按照规范[6][7]，采用线热源理论对试验测试结果进行分析计算，对模型化简后得出了时刻U型管内循环介质平

4、均温度与时间的对数值呈直线变化关系，如式1所示。……………….（1）…………………………………..（2）式中──循环介质进出口平均温度(℃)；─单位延米钻孔的放热量(W/m)；—土壤导热系数[W/(m·K)]；—时间(s)。根据1式，利用最小二乘法拟合出直线斜率k，代入2式就可以求出土壤综合导热系数。2.2热响应测试装置根据测试原理，研发了土壤热响应试验测试装置，装置原理如图1所示。测试装置主要由加热水箱、循环水泵、温度传感器、流量计、压力表和数据采集仪等构成。1.循环水箱；2.电加热管；3.玻璃转子流量计；4.压力表；5温度计；6.铂电阻温度传感器；7.铜球

5、阀；8.循环水泵图1.热响应测试装置原理图试验测试时，通过计算机、数据采集仪和温度传感器来自动读取和记录U型管进出口水温，水流量则用转子流量计进行人工读取。2.3现场热响应测试采用自行研发的岩土热响应测试装置，于2009年12月对重庆地区3个单U型地埋管进行了不同加热量的热响应测试，测试时间为48小时。地埋管和测试参数如下：钻孔直径为130mm，HDPE管导热系数为0.48W/m·K，外径为25mm，内径为20mm，回填材料导热系数为2.25W/m·K。孔1、孔2和孔3的单位钻孔深度加热量分别为：69W/m、45W/m、29W/m。2.3.1岩土初始温度测试按

6、照设计要求对钻孔进行下管、回填及灌水，再让其放置48小时，待测试孔内岩土温度恢复至岩土初始温度后，在充满水的PE管中插入PT100铂电阻温度传感器，测试沿钻孔每隔10m的水温，然后求取各点温度平均值作为岩土的初始温度。2.3.2岩土热响应测试将热响应装置与单U型埋管连接，然后启动循环水泵让水在环路中循环流动，待设备运转稳定后，自某一时刻起对水按测试参数对试验孔连续进行恒热流加热，并开始以5分钟为间隔记录U型管进出水水温及测试时间，直至回路中的进水口水温稳定，即在不少于12h的时间内，U型管出口水温波动小于1℃，且U型管出口水温高于岩土初始平均温度5℃[7]，然

7、后根据记录的数据计算出土壤的导热系数。3.测试结果分析3.1土壤初始温度采用如上方法测试得到了3个孔土壤初始温度，孔1为19.63℃，孔2为19.62℃，孔3为19.42℃。钻孔不同深度土壤初始温度如图2所示。图2.不同深度土壤初始温度由孔1、孔3地温测试数据可以看出，大地10m以下的地温都比较稳定，温度范围是19.2~20.0℃，波动温度仅为0.8℃，以深层土壤作为热泵的热源和热汇，可以获得较高的运行性能系数。而孔2测试的地温沿岩土深度方向由17.7℃上升到了21.0℃，说明在钻孔结束后48小时，钻孔内温度还未完全恢复到大地初始温度。故应该根据钻孔的深度、钻

8、孔工艺和地质条件，在钻孔完毕后，让其放