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浅层岩土体热物理性质原位测试仪的研制及传热数值模拟

王庆华  
【摘要】: 随着全球变暖、温室效应和能源紧缺等问题的日益严重,发展清洁的可再生能源和提高能量利用率越来越受到各国政府的重视。利用地源热泵这一高效节能新技术进行供暖、制冷和地下储能的研究开始盛行。但是,在对地源热泵系统进行设计时,了解岩土体的热物理参数是十分重要的。如果该参数不准确,则设计的系统可能不满足空调负荷的需要,也可能造成初投资增加,影响地源热泵技术的推广。针对这一问题,本论文研发了一种岩土体热物理性质原位测试设备,可以为设计地源热泵系统提供地层热传导系数和钻孔热阻,确保系统设计的准确性和经济性。 研制的岩土热物性原位测试仪包括液路循环系统、数据采集和控制系统以及数据处理系统。采用热泵作为冷、热源,可进行储热和取热工况的测试,利用电动三通分流调节阀和冷凝器辅助热泵工作,来保证输入或提取的热量恒定,以方便利用线源模型和柱源模型进行数据处理。利用测试仪还可在现场实时监控实验过程,随时调取各种实验数据和曲线以及进行数据的处理和计算。 论文在介绍现有计算地埋管换热器的模型的基础上,着重说明在土壤热物性测试中的数据处理方法,并利用线源模型、柱源模型、数值模型和变热流模型对实验数据进行计算和比较,结果表明,在测试孔深和测试时间足够的条件下,线源模型即可满足要求。利用热物性测试仪进行了多次储热和取热的实验,通过对现场测试过程和测试结果的分析,得出影响热物性参数计算和钻孔深度确定的主要因素。论文还利用ANSYS有限元分析软件对测试过程中的土壤温度场进行了模拟,找出换热器的传热规律,确定了热作用半径。 利用现场热物性测试设备,不仅可以为地源热泵系统提供准确的设计依据,还可以进行浅层地热资源调查,建立地热利用的数据库,对合理利用我国地热资源,减少其它能源消耗,保护环境等具有重要的现实意义。


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