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地源热泵-岩土热物性测试
2014-10-09 10:43:31

1.为什么要测试

地源热泵是浅层地热资源应用的主要途径。对于地源热泵系统,地埋管换热器设计是其重点,设计偏小导致系统运行效率降低,费用增加,甚至无法正常启动,也就无法实现节能的目标;而设计偏大则造成系统初投资增加,影响系统经济性。岩土热物性测试工作就是为了获得岩土热物性参数(主要是导热系数λ)、岩土初始平均温度及地埋管换热器换热能力,从而为更加准确的设计地埋管换热器数量提供科学的依据。

2.岩土热物性参数的获取方法

岩土热物性参数包括岩土导热系数λ和比热容Cp对于上述两个参数的获取途径主要有以下三条:

1)取样查表法

该方法求得的岩土体热物性参数通常是一个区间范围,通常无法作为地埋管换热器设计的依据。

2)取样试验法

该方法需专业勘察钻机钻井,而且存在取样率、含水率、孔隙率在取样过程中发生变化的问题,测得的结果难以用于工程实际。

3)原位测试(现场测试)法

   这种方法能够真实地反应地埋管换热器的换热情况,是目前主流的岩土体热物性参数测试方法。

3.现场原位测试

现场原位测试的主要目的是获取岩土初始平均温度、岩土热物性参数、地埋管换热器换热能力。

1)岩土初始平均温度

测试方法有无功循环法、垂向布置温度传感器法以及地埋管水温平衡法,其中垂向布置温度传感器法又分为PE管内布置和PE管外布置。三种方法各有优缺点,实际偏差很小,具体可根据现场情况选择。

方法

无功循环法

地埋管水温平衡法

垂向布置温度传感器法

优点

1.操作简单

2.数据分析简单

1.测试时间短

2.可获得不同深度地层温度

1.测量准确

2.可获得不同深度地层温度

缺点

1.测试时间长

2.只能获得平均温度

数据分析复杂

1.施工和操作复杂

2.PE管外布置法的温度传感器不可重复利用

 

2)岩土热物性参数

岩土热物性参数的测试方法有稳定热流法和稳定工况法。稳定热流法向地埋管换热器提供稳定的加热量或制冷量,记录地埋管换热器进出水温度的响应情况,进而利用线源或柱源模型计算岩土体的热物性参数;稳定工况法是建立稳定的地埋管换热器冬季或夏季运行工况(地埋管换热器进水温度和流量),记录换热功率和地埋管换热器出水温度的响应情况,进而利用柱源模型计算岩土体的热物性参数。

3)地埋管换热器换热能力

      地埋管换热器换热能力包括的参数有单位长度地埋管换热器平均传热系数 、单位长度地埋管换热器冬、夏季工况下换热功率 。这些参数只能通过稳定工况测试获得。

通过分析稳定工况的试验数据,可以计算出单位长度地埋管换热器平均传热系数 ,在数值上,它等于单位长度地埋管换热器的换热量与地埋管换热器进出水平均温度和岩土的初始温度的差值的比值,单位为W/(m·K)。该参数是综合反映地埋管换热器施工条件、管材、岩土热物性、运行工况等众多因素的综合参数。 

——单位长度地埋管换热器平均传热系数,W/(m·K);

——特定工况下单位长度地埋管换热器的换热功率,W/m;

——地埋管换热器进出水平均温度,℃;

——岩土初始平均温度,℃;

4.地埋管换热器设计路线

1)稳定热流

 

优点:

1、       测试设备简单;

2、      相关理论研究成果多,理论依据充分;

缺点:

1、       传热模型存在适用性问题,假设条件与实际地质情况差距较大;

2、      需要多次模型计算,增加误差累计;

3、      计算具有较强专业性,从业单位掌握程度参差不齐。

2)稳定工况

 

优点:

1、       无复杂的计算模型,测试结果直观;

2、       设计结果可校核;

缺点:

1、       相关理论研究成果较少,忽略管井间热干扰和非稳态传热因素;

2、      测试设备复杂。

 

 


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