153-v2在利比亚的首次热响应试验

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1、在利比亚的首次热响应试验Eng.AdelA.Eswaisi利比亚的黎波里阿尔费德大学Email:swesi2002@yahoo.comProf.M.A.Muntasser利比亚的黎波里阿尔费德大学Email:info@ief-ngo.org.Prof.BoNordell瑞典卢雷亚大学Email:bon@ltu.se摘要岩土热物性的确定是商业楼宇地源热泵空调系统设计人员所面临的一个重大挑战。岩土的热物性决定了钻孔的深度和个数。为了预测岩土热物性，设置了一套试验装置，能够对试验井施加一热流，并测量其温度响应。测试在一定的时间内连续运行，将测量的数据代

2、入线热源模型方程中以获得现场岩土导热系数和钻孔内热阻。这次测试是有史以来第一次在利比亚进行的，它位于Tripoli的Al-Fateh大学内完成的。结果表明现场岩土导热系数为3.749W/(m·K)，钻孔内热阻为0.18K/(W·m)，现场可以设置地下换热器并结合热泵实现建筑物的空气调节。1.引言由于化石燃料的燃烧，地球已经面临着全球变暖的问题。在许多国家矿物燃料是传统的具有优势的燃料，一些人仍然离不了石油、煤炭和天然气。然而由于矿物燃料使用的急剧增加，世界各地的研究者正继续致力于研究使可再生能源作为发展的主要能源，以解决人类面临的上述挑战。在一些

3、国家将地下换热器系统应用在住宅以及商业大厦的空调中已经越来越受欢迎，这将有助于降低全球能源消耗，这种系统是环境友好的，造成气体排放量比常规能源有所减少。2.背景地下热能储存系统被用做为一个换热器装置，通过从土壤提取热量或向土壤排入热量，作为家用供暖或制冷热泵系统的冷热源。然而，在为建筑设计空调系统之前，地下换热器环路出水温度、岩土导热系数以及钻孔内热阻等参数的确定是很重要的。以上提到的参数确定了蓄热系统的效率，这些参数可以通过现场岩土热响应试验来测定。Mogensen[1983]提出了一个现场测定岩土导热系数和钻孔内热阻的方法，该方法是通过向地埋

4、管换热器施加一恒定热流并测量流体的温度变化。利用线热源理论的方程来计算钻孔和土壤间的传热过程。在90年代中期，Eklof、Gehlin[1996]和Austin[1998]在此方法的基础上开发了现场热响应试验设备。热响应试验是目前公认的用于测定地埋管换热器系统中岩土导热系数和钻孔内热阻的方法。在热响应试验时，载热流体在钻孔埋管内连续循环流动的时间约是50～72小时，在此期间测量埋管换热器内进出口载热流体的温度。热响应试验可以通过取热或排热来进行，也可在一个或多个钻孔内同时进行。在整个热响应试验中，电力供应需要恒定，并且加热热流或排热热流也是可知的

5、。当埋管换热器进口流体温度（Tin）和出口流体温度（Tout）的平均值以对数时间绘制曲线后，就可确定导热系数和热阻。3.研究目标在这项研究中，将建立一套试验装置，并对将要采用换热器和热泵空调的建筑现场的土壤进行测试，测试的目标是得到以下参数的值：l岩土导热系数k。l载热流体和钻孔壁之间的热阻Rb。4.原理下面简要介绍热响应试验的原理。钻孔内的热传导会引起周围土壤温度的变化，Hellstrom(1994),Mogenson(1983)和Eskilson(1987)提出了以下数学描述。温度场是时间和钻孔半径的函数，可由具有恒定热流的Kelvin线热源

6、理论来描述，如下式：（1）其中：和式中：Ei为指数积分，当τ≥5时指数积分可进一步简化为：γ为欧拉常数，γ=0.577；q为单位管长施加的热流量，(W/m)；H为钻孔深度，(m)；t为施加热流后的时间，(s)；α为热扩散率，α=k/(ρ·cp)，(m/s)；r为钻孔半径，(m)。瞬态过程中，钻孔的温度由下式描述：（2）Tb(r,t)为在t时刻，钻孔的温度；Tu为无穷远处土壤温度，℃Tq(r,t)为由于流体平均温度的变化引起的钻孔温度的变化。将方程（1）代入方程式（2）得：（3）地埋管换热器的热特性是视钻孔内热阻而定的，钻孔内热阻可定义为流体平均温

7、度和钻井壁温度的温差与施加在钻孔上的热流的比值，如下式：（4）式中：Tf=((Tin+Tout)/2),即为钻孔进口流体温度（Tin）和出口流体温度（Tout）的算术平均值（℃）；Tb为钻孔壁平均温度，（℃）；Rb为载热流体到钻孔壁之间的热阻。将式（3）代人（4）中得：（5）方程（5）可以简化为Tf和ln(t)之间的线性关系，如下：（6）其中，a，m都是常数。a可由载热流体平均温度Tf随对数时间ln（t）变化的曲线图得到，k即可由该曲线图的斜率计算得到，如下：（7）因此，导热系数可由流体温度随对数时间变化曲线图的拟合斜率计算得到。方程（5）也可表

8、示为：（8）5.试验装置为了进行热响应试验，有必要建立一套试验装置，其中包括两个主要组成部分，测试设备和U型埋管。 该测试设备由水泵，热