土壤源热泵地下岩土热物性测试研究
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统 包 括 保 温 水 箱 、 循 环 水 泵 、管 道 、 过 滤 器 、阀 门等 。数
析地下岩 土的热 响应情 况 推算 出岩 土热物 性参数 ；同时 计算了地埋管换热器 与周围土壤之 间的换热状况 确定 了该
地源热 泵系统 地埋管 换热器 的冬 夏季取放 热工况下 的实际 换热量 ． 为此土壤源热泵空调系统 的设计提供了依据 。
２ 地 下岩 土热 响应 测 试 装 置
测试 采用 自主设计 的地下岩 土热 响应 测试 系统 。该 系
统 既 能 进 行 放 热 工 况 试 验 ．又 能 进 行 取 热 工 况试 验 。 图 １ 给 出 了地 源 热 泵 岩 土 热 物 性 测 试 装置 的 示 意 图 。 整 个 系 统
测试孔 为 ２个 ，分 别采 用双 Ｕ２ ５型 Ｐ Ｅ管下管 埋管深度
１０ｍ，采用 ５ 膨润土 和 ９ ％ 黄沙 回填 。在埋管上每 隔 ０ ％ ５ １ 绑定 温度探头 ，用来测量地下土壤的初始温度分布。 ０ｍ 整个 测试分 ２个阶段进 行 ：首先是岩 土热响应测 试 ， 采 用恒功 率加热 ，采集地埋 管换热器 进 出口温度随 时间的
５ ６绿色建筑
２０１ ２年 第 ４期
Ｅ ｅｇ Ｓ ｖ ｇｉ ｕｄｎ 建 筑 节 能 ｎ ｒｙ ａ ｉ ｎＢ ｉｉ ｎ ｌ ｇ
下岩土的原始温度 （ １ 。 表 ）
表 １ 地下岩 土原始温度
ｌ
ｌБайду номын сангаас
温 度
ｌ ２井 该 地 岩 平 温 ≠ ｝ ≠ 地区 下 土 均 度 井 ｝
热 器冬夏季工况下 的实际单位延米换热量 ，为该地区地源 热泵 系统 的设计施工提供了依据 。
关键词 ：热响应测试；岩土热物性；单位延米换热量
中图分类 号：Ｔ ２ ７ Ｕ ２
文献标识码 ：Ｂ
文章编号 ：１ ７ — １ Ｘ （ ０ ２ ４５ —３ ６ ４８ ４ ２ １ ）０ －６０
地源 热泵系统的技术 已日臻 成熟 ． 在欧 美发达 国家已得 到广 泛的应用 。 目前在 国 内大 力推 行节 能减排 的形 势下 ．
变 化 通 过 曲线 拟 合 推 出 地 下 岩 土 导 热 系 数 ，体 积 热 容 以
３ 实验结果分析与讨论
３ １ 地下岩土初 始温度 ．
在 进 行地 下 岩 土热 响应 测 试 之 前 ．系统 首 先开 启 水 泵 ，使冷 水在埋管 中循环 ，观 察地埋管 内水进 出 口温 度的 变化 ．达 到稳定 时的地埋管 中水 的出 １温度 即可认 为是地 ： ３
建 筑 节 能 ｌ ｎ ｒｙ ａ ｉ ｎＢ ｉｉ ｅｇ Ｓ ｖ ｇｉ ｕｄｎ Ｅ ｎ ｌ ｇ
土壤源热泵地下岩土热物性测试研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏｕ ｄ Ｔｈ ｒ ａ ｏｐ ｔ ｓＴ ｓ ｉｇ ｓ ａ ｃ ｆＧｒ ｎ ｅ ｍ ｌ Ｐｒ ｅｒｉ ｅ ｔ ｅ ｎ
陈 俊
由电加热系统 、制冷系统 水循 环系统 、数据采 集系统 四 部分 组成 。电加热 系统 中采 用电加热 管 ，最 大加 热功率 ６
ｋ ，可根据试验孔深度采用可 控硅 调整加热功率 。制冷系 Ｗ 统 选用 １台风冷 冷水机组 ，额定制 冷量 ６ｋ ，压缩机 采 Ｗ
用变频技 术 ，可根 据试验孔 的深度调 整制冷 量。水循 环系
岩土平均导热 系数 是 综合 地下换热器埋深范围 内的其
—
７ ０
６ ０
他 因素 的综合系数 。根据线 热源理论 ，地埋 管 中换 热介质 的平均温 度和 时间的对数成 线性关 系 ，将 二者 函数关系拟 合成一 条直 线 ，得到斜率 和截距 ，根据 以下公式计算 出岩
土 的综 合 导 热 系 数 ：
ｌ地 管 口 度 １ ℃ １３ 埋 出 温 ７ ８℃ ． ８ ＿
１℃ ８ ． Ｏ
表 １给出 了地下岩土原始温度的测试 结果 从 表中可 以看 出 两 口井所 测地 下岩土原始 温度相 差不大 ，我们取 其平均值 １ ．ｃ作 为该地 区地下岩土原始温度 。 ８０ 。
３ ２ 地下岩土热物性参数测试 ．
音
量 ０
４ ０
誊３ ０
２ ０
地源 热泵 系统 尤其是 土壤源热 泵系统得 到大力 的推 广 。然 而设 计地源 热泵系统 的地埋管 换热器需 要知道地 下岩土 的
及钻孔热 阻等热物性 参数 ；其 次分别模拟 空调 的夏季制 冷
工况和冬 季的制热 工况 ，测 量地埋管 换热器 的放热能 力和
取热能力。
热物 性参 数 ．如果 热物性参 数不准确 ，系统设 计就容 易出
据采 集系统采 用无线远程 采集系统 采集数 据包括 地埋管
进 、 出 口温 度 ，压 力 ，水 箱 水 位 ，循 环 流 量 ．加 热 器 功 率
１ 工程介绍以及实验方 案
本项 目建筑面积近 ５ ０ 拟 采用土壤源热泵系统 。 ０ｍ２ ５
等 。流 量采集采用 电磁流量计 。温度测量采用 Ｐ ０ Ｔ１０铂 电 阻温度传感器 。
现偏 差 。但由于不 同地 区的地 质等 条件存在很 大差异 ，岩 土热物 性相差很 大 ．只有 在现场直 接测量 才能正确得 到地 下岩 土的热物 性参数 ．为该地 区地 源热泵 系统的 工程设计 提供必要的数据支持。 本文 以南京 某地 区典 型地源 热泵空调 系统 工程为研 究 对 象 ，采用独 立设计 的岩 土热 响应测试 试验平 台 ．对土 壤 源 热泵地埋 管换热 器冬夏 季实际运行 工况进 行 了模拟 ，分
（ 东南大学建筑设计研究院， 江苏 南京 ２ ０ ９ ） １ ０ ６
摘要 ：采用自行设计开发的地源热泵地下岩土热物性测试平台，试验模拟了地源热泵地埋管换热器冬夏季取放热实际运行工况，以某具体地源热泵工程项目为
例 ，推 算出该 地区地下岩土的综合导热系数 ，体积热容等热物性参数 ，分析 了地埋 管换 热器 与周围土壤之 间的换 热状况，确定了该地区地源热泵系统地埋管换
析地下岩 土的热 响应情 况 推算 出岩 土热物 性参数 ；同时 计算了地埋管换热器 与周围土壤之 间的换热状况 确定 了该
地源热 泵系统 地埋管 换热器 的冬 夏季取放 热工况下 的实际 换热量 ． 为此土壤源热泵空调系统 的设计提供了依据 。
２ 地 下岩 土热 响应 测 试 装 置
测试 采用 自主设计 的地下岩 土热 响应 测试 系统 。该 系
统 既 能 进 行 放 热 工 况 试 验 ．又 能 进 行 取 热 工 况试 验 。 图 １ 给 出 了地 源 热 泵 岩 土 热 物 性 测 试 装置 的 示 意 图 。 整 个 系 统
测试孔 为 ２个 ，分 别采 用双 Ｕ２ ５型 Ｐ Ｅ管下管 埋管深度
１０ｍ，采用 ５ 膨润土 和 ９ ％ 黄沙 回填 。在埋管上每 隔 ０ ％ ５ １ 绑定 温度探头 ，用来测量地下土壤的初始温度分布。 ０ｍ 整个 测试分 ２个阶段进 行 ：首先是岩 土热响应测 试 ， 采 用恒功 率加热 ，采集地埋 管换热器 进 出口温度随 时间的
５ ６绿色建筑
２０１ ２年 第 ４期
Ｅ ｅｇ Ｓ ｖ ｇｉ ｕｄｎ 建 筑 节 能 ｎ ｒｙ ａ ｉ ｎＢ ｉｉ ｎ ｌ ｇ
下岩土的原始温度 （ １ 。 表 ）
表 １ 地下岩 土原始温度
ｌ
ｌБайду номын сангаас
温 度
ｌ ２井 该 地 岩 平 温 ≠ ｝ ≠ 地区 下 土 均 度 井 ｝
热 器冬夏季工况下 的实际单位延米换热量 ，为该地区地源 热泵 系统 的设计施工提供了依据 。
关键词 ：热响应测试；岩土热物性；单位延米换热量
中图分类 号：Ｔ ２ ７ Ｕ ２
文献标识码 ：Ｂ
文章编号 ：１ ７ — １ Ｘ （ ０ ２ ４５ —３ ６ ４８ ４ ２ １ ）０ －６０
地源 热泵系统的技术 已日臻 成熟 ． 在欧 美发达 国家已得 到广 泛的应用 。 目前在 国 内大 力推 行节 能减排 的形 势下 ．
变 化 通 过 曲线 拟 合 推 出 地 下 岩 土 导 热 系 数 ，体 积 热 容 以
３ 实验结果分析与讨论
３ １ 地下岩土初 始温度 ．
在 进 行地 下 岩 土热 响应 测 试 之 前 ．系统 首 先开 启 水 泵 ，使冷 水在埋管 中循环 ，观 察地埋管 内水进 出 口温 度的 变化 ．达 到稳定 时的地埋管 中水 的出 １温度 即可认 为是地 ： ３
建 筑 节 能 ｌ ｎ ｒｙ ａ ｉ ｎＢ ｉｉ ｅｇ Ｓ ｖ ｇｉ ｕｄｎ Ｅ ｎ ｌ ｇ
土壤源热泵地下岩土热物性测试研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏｕ ｄ Ｔｈ ｒ ａ ｏｐ ｔ ｓＴ ｓ ｉｇ ｓ ａ ｃ ｆＧｒ ｎ ｅ ｍ ｌ Ｐｒ ｅｒｉ ｅ ｔ ｅ ｎ
陈 俊
由电加热系统 、制冷系统 水循 环系统 、数据采 集系统 四 部分 组成 。电加热 系统 中采 用电加热 管 ，最 大加 热功率 ６
ｋ ，可根据试验孔深度采用可 控硅 调整加热功率 。制冷系 Ｗ 统 选用 １台风冷 冷水机组 ，额定制 冷量 ６ｋ ，压缩机 采 Ｗ
用变频技 术 ，可根 据试验孔 的深度调 整制冷 量。水循 环系
岩土平均导热 系数 是 综合 地下换热器埋深范围 内的其
—
７ ０
６ ０
他 因素 的综合系数 。根据线 热源理论 ，地埋 管 中换 热介质 的平均温 度和 时间的对数成 线性关 系 ，将 二者 函数关系拟 合成一 条直 线 ，得到斜率 和截距 ，根据 以下公式计算 出岩
土 的综 合 导 热 系 数 ：
ｌ地 管 口 度 １ ℃ １３ 埋 出 温 ７ ８℃ ． ８ ＿
１℃ ８ ． Ｏ
表 １给出 了地下岩土原始温度的测试 结果 从 表中可 以看 出 两 口井所 测地 下岩土原始 温度相 差不大 ，我们取 其平均值 １ ．ｃ作 为该地 区地下岩土原始温度 。 ８０ 。
３ ２ 地下岩土热物性参数测试 ．
音
量 ０
４ ０
誊３ ０
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地源 热泵 系统 尤其是 土壤源热 泵系统得 到大力 的推 广 。然 而设 计地源 热泵系统 的地埋管 换热器需 要知道地 下岩土 的
及钻孔热 阻等热物性 参数 ；其 次分别模拟 空调 的夏季制 冷
工况和冬 季的制热 工况 ，测 量地埋管 换热器 的放热能 力和
取热能力。
热物 性参 数 ．如果 热物性参 数不准确 ，系统设 计就容 易出
据采 集系统采 用无线远程 采集系统 采集数 据包括 地埋管
进 、 出 口温 度 ，压 力 ，水 箱 水 位 ，循 环 流 量 ．加 热 器 功 率
１ 工程介绍以及实验方 案
本项 目建筑面积近 ５ ０ 拟 采用土壤源热泵系统 。 ０ｍ２ ５
等 。流 量采集采用 电磁流量计 。温度测量采用 Ｐ ０ Ｔ１０铂 电 阻温度传感器 。
现偏 差 。但由于不 同地 区的地 质等 条件存在很 大差异 ，岩 土热物 性相差很 大 ．只有 在现场直 接测量 才能正确得 到地 下岩 土的热物 性参数 ．为该地 区地 源热泵 系统的 工程设计 提供必要的数据支持。 本文 以南京 某地 区典 型地源 热泵空调 系统 工程为研 究 对 象 ，采用独 立设计 的岩 土热 响应测试 试验平 台 ．对土 壤 源 热泵地埋 管换热 器冬夏 季实际运行 工况进 行 了模拟 ，分
（ 东南大学建筑设计研究院， 江苏 南京 ２ ０ ９ ） １ ０ ６
摘要 ：采用自行设计开发的地源热泵地下岩土热物性测试平台，试验模拟了地源热泵地埋管换热器冬夏季取放热实际运行工况，以某具体地源热泵工程项目为
例 ，推 算出该 地区地下岩土的综合导热系数 ，体积热容等热物性参数 ，分析 了地埋 管换 热器 与周围土壤之 间的换 热状况，确定了该地区地源热泵系统地埋管换