地埋管地源热泵浅层土壤分层热物性测试实验及计算研究

【摘要】：浅层地埋管地源热泵系统主要是通过对地下浅层土壤的热能进行利用，因其不会对自然环境造成污染，且理论上适用于任何地区，该技术越来越受到重视。目前，浅层地埋管地源热泵系统主要应用在为建筑物冬季提供热量及在夏季提供冷量。由于不同地区土壤物理属性不同，同一地区地下土壤结构也很多样，复杂土壤结构的传热性能对浅层地源热泵系统的运行调节有重要影响。土壤结构的多样性及其传热性能受地下水渗流的位置、流量、流速等影响的复杂性，使得每种土壤结构的分层热物性（主要为导热系数、体积热容量）计算不准确，导致地埋管取热量无法确定，且自然环境的温度变化也会对地表的温度产生影响，系统长期运行导致土壤热不平衡。如何通过确定地下浅层土壤的热物性参数，准确设计浅层地埋管换热器成为限制地埋管地源热泵发展的一个难点。 本文首先对现阶段浅层地埋管地源热泵系统的发展进行了介绍，重点分析了浅层地埋管地源热泵技术的优点及特点，指出其具有广阔的发展前景，对目前浅层地埋管地源热泵技术前期对地下土壤的勘测方法进行了介绍，并指出不足之处。提出土壤分层热物性测试，将地下土壤分为若干层，设计并建立土壤热物性热物性测试实验平台，对该实验平台进行了详细的介绍，并通过实验台进行常规土壤热物性测试及分层土壤热物性测试。最后，基于柱热源传热模型建立分层土壤热物性计算数学模型，通过软件计算出不同手段及不同测试方法得到的土壤导热系数、体积热容量以及回填料传热热阻，对比分析结果的差异及产生差异的原因。 土壤的热物性参数，主要是土壤导热系数和体积热容量对浅层地埋管地源热泵系统的利用有重要影响，土壤导热系数和体积热容量越大，地下土壤与地埋管换热器的换热效果越好，有利于对地热能的利用。通过实验室法，现场测试法线热源模型、柱热源模型及分层柱热源模型对地下土壤进行热物性参数测试。通过土壤分层热物性测试计算得到的热物性参数与传统方法得到的相比，与实验室法得到的土壤平均导热系数相比偏差高达39.71%；与线热源模型计算得到的土壤平均导热系数相比偏差达11.74%；与柱热源模型计算得到的土壤平均导热系数相比偏差达7.13%，体积热容量相比偏差达14.37%，回填料热阻相比偏差达30.47%。且分层土壤热物性测试不会受到自然环境等客观因素的影响，可以细化地下不同埋深的土壤层，更客观的描述地下土壤热物性真实的分布情况和地下水分布情况。 终上所述，土壤分层热物性测试方式及计算模型能准确的计算出土壤的导热系数及体积热容量等参数，通过参数有效的利用换热能力较好的地层，提高地热利用率，降低地源热泵系统长期运行造成的土壤热不平衡，为更好的利用的地热能资源及课题的后续研究提供参考和依据。