1、1地埋管换热器热扩散半径试验研究摘要：地源热泵系统设计的关键参数就是岩土体的热物性参数，包括导热系数、延米换热量等。而系统运行的效果如何则是由地下换热器的性能决定的，本文通过试验确定常规的设计参数，另外着重探讨热扩散半径，以合理确定埋管间距，防止热干扰。 关键词：地埋管换热器；热扩散半径；热响应；地埋管间距 1、试验方案： 11 试验研究目的 （1）确定试验区地层（主要为紫红色泥质砂岩）原始平均地温，平均导热系数，De32PE（高密度聚乙烯）双 U 形地埋管换热器在加热和制冷工况下单位长度换热量； （2）研究扩散半径随热响应试验时间的增长规律，以确定合理的地埋管换热孔的中心距。 12 试验孔及
2、测温孔布置 在试验区域布置试验孔 1 个，用 D1 表示，温度监测孔 4 个，分别用J1、J2、J3、J4 表示。试验孔及温度监测孔具体情况见表 1。 表 1.试验孔及温度监测孔具体布置 21.3 热响应试验方法 现场热响应试验采用中国地质大学（武汉）工程学院研制的 GP-3 型地埋管岩土热响应测试仪。测试仪的组成：膨胀补水排气水箱、循环水泵、流量控制阀、流量传感器、电加热器、进孔温度传感器、三通接头、回水温度传感器、阀门组、供电及数据采集和保存系统等。 1.4 原始地温测试方法 采用中国地质大学（武汉）研制的手持 DTC 地温监测系统，可实时测量、显示和记录多点（不同地层深度）地温，测试精度
3、达 0.06，能每分钟自动记录一组（30 点）地温数据。 1.5 热响应试验及地温监测方案 （1）在进行热响应试验前，利用 D1 试验孔内埋设的温度传感器，在钻孔回填 48h 后连续 5 天以上测量地温，确定埋管深度范围内的原始地温； （2）D1 试验孔（DePE32 双 U）流速 0.4m/s，加热 140h；试验过程中每 2 小时测温一次。 试验数据结果分析 2.1 原始平均地温 采用 GP-3 热响应试验仪对 D1 试验孔进行测试，结果显示地埋管出水口温度在 80 分钟后趋于稳定，为 18.56（如图 1）所示。即得该试验区埋管范围内的地层平均初始温度为 18.56。另外根据 D1 孔内
4、埋设3的温度传感器，获得各个深度处的原始地温（如图 2 所示）平均值为18.3。由于考虑到热响应测试仪工作环境温度与原始地温相差较大，对测试结果有一定的影响，因此建议试验区原始平均地温取为 18.3。同时由图 2 可以看出 10m 埋设的温度传感器在变温层之内，一般认为变温层平均厚度约为 15m 左右，能吸收太阳辐射热，随太阳热量的昼夜和季节性变化而变化。而 1530m 则认为为恒温层，温度常年保持不变。30m 以下为增温层，由于地温受地球内部热源的影响而随深度的增加而升高，即用地温梯度和地温级来表示，大陆区一般为 23/100m，用 DTC温度监测系统测得的结果与该规律相吻合。 2.2 热响
5、应试验结果 2.2.1 试验基本理论 地下埋管换热器传热模型较普遍使用的基本理论基础：线热源理论。将线热源理论用于地下埋管换热器的设计计算需要作出以下几个主要的简化假定： 埋管周围大地是初始温度均匀的无限大介质，且其热物性均匀一致，不随温度变化而变化； 忽略轴向(包括地表)的传热，只考虑径向的一维导热； 忽略钻孔的几何尺度而把它近似为轴心上的线热源。 采用线热源理论，假定钻孔周围土体传热为纯传导方式。土体为各向同性的均匀物体，当系统以恒定的功率加热时，载热流体平均温度可4表示为： （a） 用线热源理论，通过试验求土壤的热传导系数，加热功率恒定时，（a）式可简写为： （b） 式中 （b）式我们可
6、以看出，载热流体的平均温度与加热时间的自然对数成正比，因此只需根据测试结果作出载热流体平均温度与时间对数的关系曲线（理论上应为直线） ，确定该曲线的斜率 k，即可按下式求出土壤的热传导系数。 （c） 2.2.2 试验区导热系数 通过以上方法可以求出导热系数 s，它是物质的重要热物性参数，其影响因素主要取决于物质的种类、物态以及温度、密度、湿度等。而对于岩土体而言，其性质复杂，导热系数主要取决于岩土体的种类、工程性质、密实程度、含水量以及地下水的径流状态等诸多因素。由（c 式）结合图 3 得到 D1 试验区导热系数=1.93w/(m)。 52.2.3 工作状态下的钻孔单位换热量 实际工作状况分从
7、钻孔取热和向钻孔释热两种工况。 释热制冷工况下： （d） 取热制热工况下：（e） 其中，试验工况下流体的平均温度，； ，工作工况下流体的平均温度，； 加热试验时单位长度钻孔的加热量，W/m； 制冷散热工况时，载热流体的进出水温度为 35/30，本试验单位孔深加热量 60.6 W/m，初始地温为 18.3，则由（d）式可以得出 D1 钻孔单位长度散热量为 58.30W/m。制热取热工况时，载热流体的进出水温度为 6/11，则由（e）式可得 D1 钻孔单位长度取热量 39.25 W/m。 2.3 温度监测结果分析 2.3.1 试验孔温度监测 在对 D1 试验孔进行 140 小时持续 6kw 恒功率
8、的加热过程中，对D1、J4、J3、J2、J1 进行了同步的温度监测。对 DTC 地温监测系统保存数据进行分析整理，结果显示，当 D1 开始加热 2 小时后，钻孔中心温度基本与流体温度升高趋势一致，但是孔心处温度随载热流体温度升高而升高值小于流体温度；在 50m 以上的温度传感器受热流影响较大，60m 以下受热流影响程度逐渐减小；在 103m 处的温度传感器在加热 140 小时后仍未受到热影响，说明在加热过程中热扩散半径不会达到 3m。 62.3.2 监测孔温度监测 J4 监测孔距离加热孔 0.5m，结果显示，J4 孔在对 D1 孔进行加热20h 后受到明显的影响。J4 在深度 0.5m 处于变
9、温层内，温度是外界气温和深部地温综合影响的结果。在加热过程中温度略有升高，增长幅度很小，说明热扩散在深度为 0.5m 处很微弱。而深度 10m 处则温度升高剧烈，热交换显著。在深度 20m 以下，受热影响幅度逐步减小，说明热交换主要集中在 10m 至 20m 之间。J3 监测孔距离加热孔 1.0m，结果显示，在加热 50h 以后 J3 受到影响，后期逐渐增加且增加幅度很小，有 0.6的增温，最终趋于稳定。 J2 监测孔距离加热孔 1.5m，结果显示，在加热孔加热 68h 后受到热影响，影响幅度很小，只有 0.2的增温，且后期稳定。J1 监测孔距离加热孔 2.0m，结果显示，在加热 140h 以
10、后并未受到影响。因此对于本试验热响应影响半径小于 2m，这对于地埋管地源热泵系统间歇性运行以及埋管距离的合理布置都有很好的指导意义。考虑到加热时间的延长，对于普遍认为的 3.0m 的孔间距是科学合理的。 3、结论 根据热响应试验和温度监测结果得出以下结论： (1)本试验区埋管深度范围内的岩土层原始平均地温取为 18.3；平均导热系数为 1.98 w/(m)；钻孔单位长度散热量为 57.59W/m，钻孔单位长度取热量 39.75 W/m。 (2)距离加热孔 0.5m 处影响较为强烈，距离加热孔 1.0m 在加热 50h以后受到影响，后期逐渐增加且增加幅度很小，有 0.6的增温，最终趋7于稳定；距
11、离加热孔 1.5m 处，在加热孔加热 68h 后受到热影响，影响幅度很小，只有 0.2的增温，且后期稳定。J1 监测孔距离加热孔 2.0m，在加热 140h 以后并未受到影响。因此对于本试验热响应影响半径确定为1.5m，建议地埋管间距 25m，地埋管地源热泵系统合理的间歇性运行有利于提高热泵效率。 参考文献： 1GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规范S.北京：中国建筑出版社，2005 2裴侠风.地源热泵技术的应用现状及展望J.制冷与空调,2004,（3） 3ALLAN ML; Kavanaugh SP. Thermal conductivity of cementitious grouts and impact on heat exchanger length design for ground source heat pumpsJ. HVAC&R RESEARCH :5:2: 87-98 : APR 1999 4张天孙，卢改林等，传热学M.中国电力出版社.2006 5万兆,胡平放等. 岩土温度场对垂直地埋管换热影响的数值分析J. 武汉工程大学学报,2011 年第 33 卷第 6 期
