王灃浩—地埋管地源熱泵系統(tǒng)面臨的若干問(wèn)題

1、Xian Jiaotong University西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心目錄目錄背景背景巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法土壤冷熱量平衡土壤冷熱量平衡管群的規(guī)模布置管群的規(guī)模布置目前的研究進(jìn)展目前的研究進(jìn)展西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心一、背景一、背景西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心 2002年6月20日印發(fā)的建設(shè)部建筑節(jié)能“十五”計(jì)劃綱要中列出的18項(xiàng)擬重點(diǎn)開展的科技項(xiàng)目其中的第13項(xiàng)為：“地源熱泵及水源熱泵技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)與工程應(yīng)用”。 2005年由建設(shè)部頒布的地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB50366-2005)，已經(jīng)于2006年1月1日起實(shí)施。 2006年1月1日通過(guò)的中

2、華人民共和國(guó)節(jié)約能源法第四條規(guī)定：“國(guó)家鼓勵(lì)開發(fā)利用新能源和可再生能源”，而地源熱泵所使用的地?zé)崮苷菍儆诳稍偕茉础?2006年9月4日，國(guó)家財(cái)政部、建設(shè)部聯(lián)合出臺(tái)的可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金管理暫行辦法（財(cái)建【2006】460號(hào)）第四條專項(xiàng)資金支持的重點(diǎn)領(lǐng)域中包括：利用土壤源熱泵和淺層地下水源熱泵技術(shù)供熱制冷。國(guó)家相應(yīng)的政策和法規(guī)支持國(guó)家相應(yīng)的政策和法規(guī)支持地源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)的供熱空調(diào)系統(tǒng)相比是一種利用可再生能源的高效節(jié)能的新型空調(diào)系統(tǒng)。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心地埋管地源熱泵系統(tǒng)形式地埋管地源熱泵系統(tǒng)形式豎直地埋管的豎直地埋管的不同形式不同形式西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心土壤源熱泵系統(tǒng)

3、原理圖土壤源熱泵系統(tǒng)原理圖西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心問(wèn)題問(wèn)題1 1、巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法、巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法地源熱泵的性能很大程度上依賴于地下埋管的換熱性能，而地下埋管換熱性能依靠地下巖土體本身的熱物理性質(zhì)。巖土的熱物理特性隨地點(diǎn)的變化而有所差別，在不同地區(qū)之間甚至同一地區(qū)的不同片區(qū)之間的研究結(jié)果可能完全不能夠相互套用，巖土層熱物性參數(shù)測(cè)試的目的，則是測(cè)試當(dāng)?shù)赝寥罍?zhǔn)確的取放熱特性，為地源熱泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行提供正確可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。q在20世紀(jì)80年代以前，在鉆孔中采集巖土樣品，實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)穩(wěn)態(tài)測(cè)試法確定平均導(dǎo)熱系數(shù)，但上述過(guò)程在取樣、分析中誤差較大。q隨后又提出瞬態(tài)測(cè)量

4、的探針?lè)ù_定巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)，這在一定程度上減小了測(cè)量時(shí)間和測(cè)量誤差。然而，在一些實(shí)際工程應(yīng)用中，探針?lè)ㄔ跍y(cè)量區(qū)域和測(cè)量深度上都存在局限性，其數(shù)據(jù)的重復(fù)性和可靠性都不理想。q20世紀(jì)90年代中期以后，隨著地源熱泵技術(shù)在一些歐美國(guó)家的推廣應(yīng)用，巖土體熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。三個(gè)階段西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法 1996年，瑞典設(shè)計(jì)出一套可移動(dòng)的測(cè)試設(shè)備TED。根據(jù)熱響應(yīng)原理，就可以估計(jì)出土壤的熱容。1998-2000年，美國(guó)、挪威、瑞士、法國(guó)、英國(guó)和日本也相繼開發(fā)了相近的測(cè)試設(shè)備并應(yīng)用于工程實(shí)踐。 目前，巖土熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)推

5、廣到歐洲、亞洲、北美和南美等國(guó)家，并即將在非洲得以應(yīng)用。 2000年之后，我國(guó)有關(guān)科研院所和企業(yè)單位也先后開始引進(jìn)或研制巖土體熱物性測(cè)試儀。但由于國(guó)內(nèi)當(dāng)前使用的儀器設(shè)備大部分為自行研制，各種技術(shù)指標(biāo)存在較大差別，經(jīng)常出現(xiàn)在同一地點(diǎn)，不同儀器設(shè)備所測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生較大的差距，迫切需要對(duì)測(cè)試?yán)碚摵头椒ㄟM(jìn)行評(píng)價(jià)和規(guī)范。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心恒熱流法和恒溫法線熱源模型和柱熱源模型 巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法巖土熱物理性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法爭(zhēng)論的焦點(diǎn)：西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心恒熱流法和恒溫法恒熱流法和恒溫法q “ “恒熱流法恒熱流法”，即通過(guò)電加熱器提供一個(gè)穩(wěn)定的加熱功率，記錄進(jìn)出口，即通過(guò)電加熱

6、器提供一個(gè)穩(wěn)定的加熱功率，記錄進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化。在地埋管換熱器與土壤的傳熱過(guò)程中，管內(nèi)流體進(jìn)出溫度隨時(shí)間的變化。在地埋管換熱器與土壤的傳熱過(guò)程中，管內(nèi)流體進(jìn)出口溫度逐漸升高，經(jīng)歷足夠長(zhǎng)時(shí)間后趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)上述動(dòng)態(tài)變化口溫度逐漸升高，經(jīng)歷足夠長(zhǎng)時(shí)間后趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)上述動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反演數(shù)學(xué)模型處理后，可以獲得當(dāng)?shù)貛r土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)。數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反演數(shù)學(xué)模型處理后，可以獲得當(dāng)?shù)貛r土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)?！昂銦崃鞣ê銦崃鞣ā笔菄?guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)（是國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPAIGSHPA）標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)采暖制冷與空調(diào)）標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（工程師學(xué)會(huì)（ASHRAEASHR

7、AE）手冊(cè)所推薦的方法，也是國(guó)際上通行的做法。）手冊(cè)所推薦的方法，也是國(guó)際上通行的做法。q“恒溫法恒溫法”，是建立在穩(wěn)定地埋管換熱器運(yùn)行工況下（，是建立在穩(wěn)定地埋管換熱器運(yùn)行工況下（進(jìn)水溫度和流量進(jìn)水溫度和流量為某一定值為某一定值），根據(jù)巖土體的響應(yīng)情況逐漸穩(wěn)定出水溫度，可直觀獲得），根據(jù)巖土體的響應(yīng)情況逐漸穩(wěn)定出水溫度，可直觀獲得每每米換熱量米換熱量。q“恒熱流法恒熱流法”屬于動(dòng)態(tài)分析方法，是反問(wèn)題的研究領(lǐng)域，而屬于動(dòng)態(tài)分析方法，是反問(wèn)題的研究領(lǐng)域，而“恒溫法恒溫法”則屬于正問(wèn)題的研究問(wèn)題則屬于正問(wèn)題的研究問(wèn)題。盡管兩種方法在計(jì)算出的鉆孔長(zhǎng)度有一定的差。盡管兩種方法在計(jì)算出的鉆孔長(zhǎng)度有一定的

8、差異，但目前還不能說(shuō)明那種測(cè)試方法更加準(zhǔn)確，需要在今后的研究和工程異，但目前還不能說(shuō)明那種測(cè)試方法更加準(zhǔn)確，需要在今后的研究和工程實(shí)踐中驗(yàn)證。實(shí)踐中驗(yàn)證。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心線熱源模型和柱熱源模型線熱源模型和柱熱源模型 不同現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比不同現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比方法方法模型模型數(shù)據(jù)處數(shù)據(jù)處理方法理方法測(cè)試得到結(jié)果測(cè)試得到結(jié)果特點(diǎn)特點(diǎn)準(zhǔn)確準(zhǔn)確 性性1 1線熱線熱源模源模型型最小二最小二乘法線乘法線性擬合性擬合土壤導(dǎo)熱系數(shù)土壤導(dǎo)熱系數(shù)鉆孔內(nèi)熱阻鉆孔內(nèi)熱阻方法簡(jiǎn)單，方法簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)處理且數(shù)據(jù)處理快，計(jì)算簡(jiǎn)快，計(jì)算簡(jiǎn)便。便。 線熱源理論應(yīng)用于地線熱源理論應(yīng)用于

9、地下埋管換熱器，對(duì)于典型下埋管換熱器，對(duì)于典型的地下土壤條件，其模擬的地下土壤條件，其模擬的最小時(shí)間的最小時(shí)間應(yīng)不小于應(yīng)不小于3636小小時(shí)（時(shí)（ASHRAEASHRAE） ，對(duì)短時(shí)，對(duì)短時(shí)間尺度上的系統(tǒng)行為，不間尺度上的系統(tǒng)行為，不能簡(jiǎn)單應(yīng)用。能簡(jiǎn)單應(yīng)用。？2 2雙參數(shù)雙參數(shù)估計(jì)估計(jì)土壤導(dǎo)熱系數(shù)土壤導(dǎo)熱系數(shù)鉆孔內(nèi)熱阻鉆孔內(nèi)熱阻容積比熱容容積比熱容需要參數(shù)估需要參數(shù)估計(jì)與優(yōu)化迭計(jì)與優(yōu)化迭代計(jì)算，計(jì)代計(jì)算，計(jì)算量相對(duì)較算量相對(duì)較大。大。？3 3柱熱柱熱源模源模型型雙參數(shù)雙參數(shù)估計(jì)估計(jì)土壤導(dǎo)熱系數(shù)土壤導(dǎo)熱系數(shù)鉆孔內(nèi)熱阻鉆孔內(nèi)熱阻容積比熱容容積比熱容需要參數(shù)估需要參數(shù)估計(jì)與優(yōu)化迭計(jì)與優(yōu)化迭代計(jì)算，計(jì)

10、代計(jì)算，計(jì)算量相對(duì)較算量相對(duì)較大。大。 當(dāng)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，F(xiàn) F0 0= =/ /r r2 2較大時(shí)，線源較大時(shí)，線源模型的解趨向于柱熱源模模型的解趨向于柱熱源模型的解，二者吻合較好。型的解，二者吻合較好。？注：土壤導(dǎo)熱系數(shù)注：土壤導(dǎo)熱系數(shù)：（：（W/mK），容積比熱容），容積比熱容scs（J/m3K），鉆孔內(nèi)熱阻），鉆孔內(nèi)熱阻R0（Km/W)。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心需要進(jìn)行的工作需要進(jìn)行的工作建立建立“標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)孔標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)孔”或者在實(shí)驗(yàn)室建立標(biāo)準(zhǔn)地下?lián)Q或者在實(shí)驗(yàn)室建立標(biāo)準(zhǔn)地下?lián)Q熱器的工作環(huán)境，對(duì)測(cè)試方法和儀器進(jìn)行校核與標(biāo)熱器的工作環(huán)境，對(duì)測(cè)試方法和儀器進(jìn)行校核與標(biāo)定。定。采

11、用理論模擬的方法，采用正問(wèn)題方法評(píng)價(jià)測(cè)試方采用理論模擬的方法，采用正問(wèn)題方法評(píng)價(jià)測(cè)試方法以及反問(wèn)題辨識(shí)數(shù)學(xué)模型。法以及反問(wèn)題辨識(shí)數(shù)學(xué)模型。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心 眾所周知，當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器夏季累計(jì)向土壤的放熱與冬季眾所周知，當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器夏季累計(jì)向土壤的放熱與冬季從土壤的取熱量不相同時(shí)，就造成了土壤內(nèi)從土壤的取熱量不相同時(shí)，就造成了土壤內(nèi)取放熱量的不取放熱量的不平衡平衡。長(zhǎng)期的取放熱量不平衡產(chǎn)生的熱量堆積會(huì)超過(guò)土壤。長(zhǎng)期的取放熱量不平衡產(chǎn)生的熱量堆積會(huì)超過(guò)土壤自身的熱量擴(kuò)散（或吸收）能力，造成地下恒溫層溫度不自身的熱量擴(kuò)散（或吸收）能力，造成地下恒溫層溫度不斷偏離其初始溫度，這會(huì)斷偏離其初

12、始溫度，這會(huì)導(dǎo)致地埋管內(nèi)流體的溫度隨之變導(dǎo)致地埋管內(nèi)流體的溫度隨之變化和系統(tǒng)效率逐年下降化和系統(tǒng)效率逐年下降。 當(dāng)然從土壤內(nèi)取放熱量的差值若在一定范圍內(nèi)，當(dāng)然從土壤內(nèi)取放熱量的差值若在一定范圍內(nèi)，不超過(guò)土不超過(guò)土壤固有的散熱能力，也可以保持全年的熱平衡壤固有的散熱能力，也可以保持全年的熱平衡。問(wèn)題問(wèn)題2 2、土壤冷熱量平衡、土壤冷熱量平衡西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心土壤源熱泵部分工程項(xiàng)目土壤源熱泵部分工程項(xiàng)目工程名稱工程名稱項(xiàng)目項(xiàng)目北京九華北京九華山莊山莊沈陽(yáng)武警沈陽(yáng)武警總隊(duì)總隊(duì)西安都市之西安都市之門門河北唐山河北唐山學(xué)院學(xué)院 北京用友軟北京用友軟件件開始運(yùn)行時(shí)間開始運(yùn)行時(shí)間2005年年4月月

13、2008年年2008年年2005年年11月月2007年年7月月系統(tǒng)形式系統(tǒng)形式土壤源熱泵土壤源熱泵+冰蓄冷冰蓄冷土壤源熱泵土壤源熱泵+鍋爐鍋爐 （冬季（冬季調(diào)峰）調(diào)峰） 土壤源熱泵土壤源熱泵+冷卻塔冷卻塔+城市城市熱網(wǎng)（冬季調(diào)熱網(wǎng)（冬季調(diào)峰）峰） 土壤源熱泵土壤源熱泵+冰蓄冷冰蓄冷土壤源熱泵土壤源熱泵+冰蓄冷冰蓄冷 鉆孔數(shù)量（個(gè)）鉆孔數(shù)量（個(gè)）700753550560616鉆孔間距（）鉆孔間距（）6.06.05.05.03.03.05.05.0埋管形式埋管形式雙雙U型型雙雙U型型雙雙U型型單單U型型雙雙U型型鉆孔深度（）鉆孔深度（）10010010045120問(wèn)題問(wèn)題3 3、管群的規(guī)模布置、管

14、群的規(guī)模布置西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心目前的鉆孔間距應(yīng)用情況目前的鉆孔間距應(yīng)用情況地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB 50366-2005）：）：間距宜為間距宜為36m實(shí)際工程：實(shí)際工程：國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)36m，以以5m居多居多國(guó)外國(guó)外425m都有采用都有采用美國(guó)美國(guó)ASHRAE地源熱泵工程地源熱泵工程技術(shù)指南技術(shù)指南：推薦最小間距：推薦最小間距15ft（4.572m）存在問(wèn)題：存在問(wèn)題： 目前工程應(yīng)用和設(shè)目前工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一； 目前沒(méi)有被廣泛認(rèn)目前沒(méi)有被廣泛認(rèn)可的確定鉆孔間距的可的確定鉆孔間距的計(jì)算方法。計(jì)算方法。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心管群布置形式應(yīng)

15、用情況管群布置形式應(yīng)用情況地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB 50366-2005）：）：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定美國(guó)美國(guó)ASHRAE地源熱泵工程地源熱泵工程技術(shù)指南技術(shù)指南：原則是大面積管原則是大面積管群布置時(shí)要減少熱積聚群布置時(shí)要減少熱積聚實(shí)際工程：實(shí)際工程：根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)條件確定，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)條件確定，主要采用主要采用大面積順排布置大面積順排布置存在問(wèn)題：存在問(wèn)題： 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)管群布置形式的指導(dǎo)不深群布置形式的指導(dǎo)不深入，實(shí)際操作性不強(qiáng)；入，實(shí)際操作性不強(qiáng)； 大面積管群排布時(shí)，大面積管群排布時(shí)，未對(duì)布置形式進(jìn)行優(yōu)化。未對(duì)布置形式進(jìn)行優(yōu)化。

16、西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心管群傳熱研究現(xiàn)狀管群傳熱研究現(xiàn)狀 國(guó)際上對(duì)管群的研究主要都是集中在基于單井模型的基礎(chǔ)上，利用國(guó)際上對(duì)管群的研究主要都是集中在基于單井模型的基礎(chǔ)上，利用疊疊加原理加原理，建立起計(jì)算管群傳熱的，建立起計(jì)算管群傳熱的模型或方法模型或方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況進(jìn)行模擬，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。時(shí)間運(yùn)行的情況進(jìn)行模擬，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。 國(guó)內(nèi)的研究則集中在國(guó)內(nèi)的研究則集中在鉆孔數(shù)量、鉆孔布置方式、鉆孔尺寸、負(fù)荷大小、鉆孔數(shù)量、鉆孔布置方式、鉆孔尺寸、負(fù)荷大小、運(yùn)行模式（連續(xù)或間歇）等對(duì)管群溫度場(chǎng)的影響方面運(yùn)行模式（連

17、續(xù)或間歇）等對(duì)管群溫度場(chǎng)的影響方面。 無(wú)論國(guó)內(nèi)國(guó)際上研究所無(wú)論國(guó)內(nèi)國(guó)際上研究所面臨的問(wèn)題是這方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少，缺少面臨的問(wèn)題是這方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少，缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心管群的附加熱阻分析管群的附加熱阻分析 對(duì)于鉆孔間這種相互的熱影響產(chǎn)生的附加熱阻，目前工程上的應(yīng)用軟對(duì)于鉆孔間這種相互的熱影響產(chǎn)生的附加熱阻，目前工程上的應(yīng)用軟件和理論計(jì)算方法的基礎(chǔ)都是基于疊加原理。件和理論計(jì)算方法的基礎(chǔ)都是基于疊加原理。 基于疊加原理的方法計(jì)算附加熱阻是基于疊加原理的方法計(jì)算附加熱阻是2020世紀(jì)八十年代瑞典的學(xué)者首先世紀(jì)八十年代瑞典的學(xué)者首先提出來(lái)的。提出來(lái)的。 影

18、響影響附加熱阻附加熱阻的因素包括：鉆孔的數(shù)量、的因素包括：鉆孔的數(shù)量、鉆孔間距、布置形式、巖土巖土的熱物性、地下水滲流、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等。的熱物性、地下水滲流、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等。 疊加原理方法大大減少了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴龅募僭O(shè)，提高了計(jì)算速度。疊加原理方法大大減少了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴龅募僭O(shè)，提高了計(jì)算速度。但是采用疊加方法來(lái)分析管群換熱時(shí)，其但是采用疊加方法來(lái)分析管群換熱時(shí)，其準(zhǔn)確性受制于單井傳熱模型準(zhǔn)確性受制于單井傳熱模型的準(zhǔn)確性的準(zhǔn)確性。由于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于單井的傳熱模型大多都基于土壤為常。由于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于單井的傳熱模型大多都基于土壤為常物性的純導(dǎo)熱模型，這與實(shí)際中土壤內(nèi)的傳熱為多孔介質(zhì)熱滲耦合傳

19、物性的純導(dǎo)熱模型，這與實(shí)際中土壤內(nèi)的傳熱為多孔介質(zhì)熱滲耦合傳熱的真實(shí)情況不符，所以模型的計(jì)算結(jié)果必然存在誤差。熱的真實(shí)情況不符，所以模型的計(jì)算結(jié)果必然存在誤差。 西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心研究進(jìn)展研究進(jìn)展為了評(píng)價(jià)和規(guī)范現(xiàn)有為了評(píng)價(jià)和規(guī)范現(xiàn)有土壤熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法土壤熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，可，可以通過(guò)建立以通過(guò)建立“標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)孔標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)孔”進(jìn)行，但難度較大。同時(shí)進(jìn)行，但難度較大。同時(shí)評(píng)價(jià)中一定還會(huì)碰到如評(píng)價(jià)中一定還會(huì)碰到如加熱器功率不穩(wěn)定加熱器功率不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差；帶來(lái)的誤差；傳感器測(cè)量噪聲傳感器測(cè)量噪聲的影響；流的影響；流體速度變化體速度變化的影響等問(wèn)題。的影響等問(wèn)題。采用模擬的手段則可以在一定

20、程度上彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中帶采用模擬的手段則可以在一定程度上彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中帶來(lái)的測(cè)試誤差，有一定的優(yōu)勢(shì)。來(lái)的測(cè)試誤差，有一定的優(yōu)勢(shì)。p 土壤熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法評(píng)價(jià)土壤熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法評(píng)價(jià)西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心表表1 參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)名稱數(shù)值數(shù)值鉆孔直徑鉆孔直徑/mm300鉆孔深度鉆孔深度/m60U型管外徑型管外徑mm32加熱水箱加熱水箱/mm500500600加熱功率加熱功率/kW2.0初始溫度初始溫度/K288.6表表2 數(shù)值模擬中的物性參數(shù)數(shù)值模擬中的物性參數(shù)類型類型材料構(gòu)成材料構(gòu)成密度密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m)比熱比熱cpJ/(kg)U型管型管聚乙烯聚乙烯9500.4

21、42300回填土回填土粗砂土粗砂土16001.81645土壤土壤粗砂土粗砂土16001.81645模型建立模型建立西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心050100150200288290292294296298300進(jìn)口水溫出口水溫溫度/K時(shí)間/h模擬結(jié)果模擬結(jié)果 系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行200h以后，進(jìn)以后，進(jìn)出口水溫差基本穩(wěn)定在出口水溫差基本穩(wěn)定在1.30。 采用最后采用最后50h數(shù)據(jù)取進(jìn)出數(shù)據(jù)取進(jìn)出口水溫平均值，計(jì)算得口水溫平均值，計(jì)算得到穩(wěn)定后的加熱功率為到穩(wěn)定后的加熱功率為1887.7W。 用模擬得到的結(jié)果代替用模擬得到的結(jié)果代替實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)，用線實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)，用線熱源模型進(jìn)行線性擬合，熱源模型

22、進(jìn)行線性擬合，通過(guò)通過(guò)方法方法1得到測(cè)試的得到測(cè)試的，然后與模擬設(shè)置的真值然后與模擬設(shè)置的真值進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行對(duì)比。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理891011121314288290292294296298平均溫度/K時(shí)間對(duì)數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)直線擬合y=278.27+1.463x R=0.9991.714QkH1.8 1.71100%5.0%1.8rE導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)：相對(duì)誤差：相對(duì)誤差：W/(m)西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心研究進(jìn)展研究進(jìn)展2：鉆孔間距和布置形式的影響鉆孔間距和布置形式的影響建立模型：建立模型：管群布置示意圖管群布置示意圖遠(yuǎn)端邊界取160倍鉆孔直徑模型簡(jiǎn)化假設(shè)模型簡(jiǎn)化

23、假設(shè):1）土壤的初始溫度均勻，且被近似限大的傳熱介質(zhì)；2）土壤具有常物性，忽略鉆孔內(nèi)熱容的影響，將溫度響應(yīng)施加在鉆孔壁面；3）不考慮地表的溫度影響，忽略地下水的流動(dòng)（無(wú)地下水滲流模型）；4）鉆孔壁面溫度恒定，只考慮徑向?qū)?。西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心無(wú)量綱參數(shù)無(wú)量綱參數(shù)熱效率熱效率E Ei i,1i nii nqEq,1,11ni niii nqnEq單井熱效率：?jiǎn)尉疅嵝剩汗苋簠^(qū)域熱效率：管群區(qū)域熱效率：,1i nq為未受到熱影響的單井的熱流密度，為未受到熱影響的單井的熱流密度，W/m2。表表1 1 模擬基本參數(shù)設(shè)置模擬基本參數(shù)設(shè)置土壤物性=2.3 W/m. C=1195kJ/kg.K鉆孔

24、直徑120mm鉆孔壁溫32（305.15K）初始溫度15.6（288.75K）模擬時(shí)間連續(xù)運(yùn)行5000h模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)其中其中西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心不同鉆孔間距下管群熱效率變化管群布置（36鉆孔）鉆孔間距對(duì)管群傳熱的影響鉆孔間距對(duì)管群傳熱的影響 西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界對(duì)稱邊界對(duì)稱邊界7654321順排1212鉆孔布置時(shí)鉆孔的熱效率變化順排（正方形）1212鉆孔布置管群布置形式對(duì)傳熱的影響管群布置形式對(duì)傳熱的影響西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心管群：1212布置鉆孔數(shù)量相同 順排（正方形），鉆孔間距4.572m； 叉排（正三角形），鉆孔間距4.572m； 叉排（正三角形），鉆孔間距4.913m，與順排方式占用地表面積相同。相同鉆孔數(shù)量，順排、叉排布置時(shí)管群的熱效率變化管群布置形式對(duì)傳熱的影響管群布置形式對(duì)傳熱的影響順排和叉排的對(duì)比順排和叉排的對(duì)比西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心36鉆孔在不同管排數(shù)下的管群平均熱效率變化對(duì)稱邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界對(duì)稱邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界對(duì)稱邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界對(duì)稱邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界對(duì)稱邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界遠(yuǎn)端邊界相同鉆孔數(shù)量，不同管排數(shù)（鉆孔間距相同鉆孔數(shù)量，不同管排數(shù)（鉆孔間距4.572m）管群布置形式對(duì)傳熱的影響管群布置形式對(duì)傳熱的影