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岩土热物性测试技术与方法分析

时间:2011-01-04 19:10来源:未知 作者:冲锋 点击:
华中科技大学 胡平放 孟庆丰 孙启明 雷飞 余伟之 武汉理工大学 管昌生 摘 要 探讨了地埋管地源热泵系统岩土热物性测试方法,研发了测试仪,对实际工程进行了测试。提出了一种可用

华中科技大学 胡平放 孟庆丰 孙启明 雷飞 余伟之
武汉理工大学 管昌生

摘 要 探讨了地埋管地源热泵系统岩土热物性测试方法,研发了测试仪,对实际工程进行了测试。提出了一种可用于分析测试结果的不确定性分析方法。对岩土热物性测试方法的规范性进行了分析讨论。
关键词 地埋管地源热泵 热响应试验 测试方法 不确定性分析

1 前言
准确的岩土热物性参数(综合导热系数λs和综合比热容ρcs)是地埋管换热器设计中的重要参数。若获得的岩土导热系数和比热容与实际发生偏差时,会产生地埋管换热器设计总长度的偏差,当钻孔总长度设计偏小时会造成空调效果达不到要求,当钻孔总长度设计偏大时会增加不必要的投资。目前国家已发布《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005, 2009年6月1日又开始实施该规范的2009年版(以下简称《规范》)。但目前关于岩土热物性参数测试及其方法仍有值得规范与发展完善之处。本文拟结合研究与实践进行岩土热物性测试方法的分析。
2 岩土热物性测试方法
目前国内外采用的岩土热物性测试方法主要是岩土热响应试验法,由于地下土壤情况非常复杂,岩土热响应试验法对实际情况进行了简化,引进如下假设[2]:(1)钻孔周围岩土是均匀;(2)埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热,沿长度方向传热量忽略(孔径一般约0.1~0.15 m ,孔长大于50m);(3)埋管与岩土的换热强度维持不变(通过控制加热功率完成);(4)忽略地下水渗流影响。该方法是在工程现场建立竖直地埋管换热器测试孔,通过U型管对该孔施加恒定的热流,测量加热功率、U型管内换热流体进出口温度、流量等参数。通过数据采集系统,以一定时间间隔记录试验数据。如图1所示。
根据以上岩土热物性测试原理自主研发了岩土热物性测试仪,可对岩土热物性进行现场测试,其精度经过权威检测部门检定符合规范要求。可为地源热泵系统工程设计提供可靠的基础数据。自主研发的岩土热物性测试仪主要由电加热设备、循环水泵、不锈钢管路系统、配电系统、流量传感器、温度传感器、功率变送器、数据采集系统等组成。如图2所示。

 

 

 

 

 

图1 岩土热物性测试原理图 图2 岩土热物性测试仪
岩土热响应试验时将岩土热物性测试仪与用于测试的竖直地埋管换热器测试孔组成循环水系统,施加一定的加热功率,对测试孔进行一定时间的连续排热试验,并实时记录加热功率、循环水流量和进出口温度等数据。根据记录的试验数据通过线热源模型来求解获得岩土热物性参数的值。
3岩土热物性测试影响因素
岩土热物性测试的影响因素很多,包括测试孔的制作、测试设置参数、测试过程中电源稳定等,这些因素可通过人为干预达到测试要求,提高测试准确性。由于岩土热响应试验是一个对岩土缓慢加热直至达到传热平衡的非稳态的传热过程,因此需要有足够的时间来保证这一过程的充分进行[8,9]。一般判断传热平衡的方法是观察地埋管换热器进出口温度稳定,在不少于12h的时间内,其温度波动小于1℃[1]。因此需要足够的测试时间,同时为节约测试成本,在保证以上测试准确性的基础上,应尽可能的缩短测试时间,《规范》提出了持续时间不宜少于48h的要求[1]。
近年来国内外对岩土热物性测试方法精确化方向做了很多研究,对线热源模型进行优化改进,并提出了一些新颖的方法,对地埋管地源热泵系统的应用与发展起到了促进作用。
岩土热响应试验为了工程应用的方便做了忽略地下水渗流影响的假设,但有学者通过原理及工程实例分析[5~7],地下水渗流对地埋管换热器的换热起到了明显的促进作用,因此在设计计算地下换热器钻孔总长度时,也要充分考虑地下水渗流的作用。
4岩土热物性分析计算方法
4.1确定性分析方法
在岩土热响应试验数据分析计算中,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[8][9]:
, (1)
钻孔传热热阻的解析表达式为[1] [10]:
单U型管:
(2)
双U型管:
(3)
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;Q为加热功率,W;H为测试孔深度,m;Rb为钻孔内的总热阻,K•m/W;λs为岩土的综合导热系数,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)。 (责任编辑:冲锋)

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