基于线热源模型的地下岩土热物性测试方法.pdf

第27卷第3期 太阳能学报 V01．27．No．3 2006年3月 ACrAENERGIAESOLARIssINICA M口．．2006 基于线热源模型的地下岩土热物性测试方法 于明志1，彭晓峰1，方肇洪2，李晓东2 (1．清华大学热能工程系相变与界面现象传递实验室，北京100084； 2．山东建筑工程学院地源热泵研究所，济南250014) 摘要：提出了一种用于竖直埋管与周围岩土的传热分析模型。该方法回避了其它模型对钻孔中埋管的具体位 置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数的要求，从而可以消除上述参数测量带来的误 差。在现场钻孔，埋设u型埋管，通过测量施加的加热功率、埋管中循环水流量、埋管出入口水温随时间变化，利用 该模型并结合最优化估计方法，确定了某地源热泵空调系统工地地下岩土的热物性参数，检验证实了该方法的实 用性和可靠性。 关键词：传热模型；测量；岩土；热物性参数 中图分类号：TKl24 文献标识码：A 的是使用热探针【11|，限于热探针尺寸，其只能测量 0引言 极为浅表的土壤导热系数。针对一般现场钻孔埋设 较深地层中在无干扰时常年保持恒定温度，冬 深度可达数十到数百米的u型埋管，通过不同的传 季远高于室外温度，夏季低于室外温度。利用较深 热模型结合最优化估计方法计算确定地下岩土热参 地层这种恒温特性作为冷热源的地源热泵，显然可 数。采用的传热模型有线热源模型L12]、柱热源模 克服空气源热泵的技术障碍，机组效率大为提高。 型[13|、二维模型等[14|。线热源模型只能测量导热系数 此外，大地蓄存冬季系统排放的冷量、夏季排放的热 但不准确，也不能提供容积比热容n5|。柱热源模型和 量，在地源热泵系统中起到蓄能器的作用，进一步提 二维模型需要埋管的具体位置、上升管和下降管之间 高全年的能源利用效率。这种一机多用的系统还包 的距离以及埋管和回填材料的物性等参数。鉴于测 括节省建筑空间、无需冷却塔和室外风冷部分、对建 量的困难和钻孑L内埋管埋设的不确定性，这些参数的 筑外观影响小、运行费用低、投资回报快、全年运行 误差均较大，影响最终物性结果的可靠性。 均衡用电负荷以及低噪音、占地面积少、无污染物排 本文尝试探讨新的测试方法，将钻孔内的总热 放、不抽取并破坏地下水、寿命长等诸多的优势¨’2j。 阻作为一个变量，不计钻孑L内具体状况，避免确定钻 目前欧洲和北美正大力发展和推广应用地源热泵技 孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离 术【3’4J，我国也已研究和应用该技术[5娟]。 以及埋管和回填材料的物性等参数。实际需要的只 深层地下岩土导热系数等热物性是地源热泵系 是钻孔周围岩土的热物性参数，忽略钻孔内部构造 统和地源换热器设计的重要参数，目前主要依靠实 等，不会对工程应用产生影响。理论上讲这样的模 验测量获得，方法有多种。蹦bnow[91和Huengesu刚等 型十分粗糙，但是因减少测量参数带来的误差，应用 人对从钻孔取得的岩石试样和碎屑进行直接测量， 于工程时得到的结果可能会更好。 可较准确地测得其导热系数等，但采集后的试样已 与地下时的实际情况发生变化，包括结构、水分含量 1传热模型 等已有相当差别，且试样也不能反应相当深度地下