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能源是人类生存与发展的物质基础,随着当今世界能源短缺状况的日益加剧,地埋管地源热泵技术作为一种新型、洁净、安全和可再生的能源技术,得到了广泛的应用。在地埋管换热系统的设计过程中,地下岩土的热物性数据是最重要的设计参数。对于具体工程而言,不同地层地质条件下某些地下岩土的热物性(如导热系数)相差可达10倍之多。如果该组数据掌握不够准确,或导致换热系统设计能力偏小,不能满足负荷需要;或导致换热系统设计过大,从而大大增加初投资。但国内对热物性测试仪器的研究时间尚短,无法为工程项目提供准确的参数,制约了地源热泵技术在国内的发展。
为了适应该行业发展的需要,本文研制了“地源热泵岩土热物性现场测试仪”,具体介绍了测试仪的各个组成部分和线热源、圆筒壁两种计算传热模型,通过对具体工程的数据分析,为地源热泵技术的应用推广提供了经验。测试仪通过对进水温度、回水温度、流量、功率等参数的测量,采用两种传热模型对导热系数进行计算。该测试仪由循环系统、加热系统、测量系统三个部分组成。循环系统主要由水箱、循环泵等组成。
加热系统采用了4根1KW的电加热器,并根据换热深度的需要选择开启几根加热器。温度测量采用的是DS18B20数字温度传感器;流量测量采用的是电磁流量计;并通过有功功率传感器对电路的功率进行测量。由于在国际上还没有普遍公认的传热模型,各种传热模型计算方法差别较大,有的传热模型计算较复杂,不适合工程中的应用。本文介绍了线热源和圆筒壁两种传热模型和计算方法,能够通过实验数据的曲线拟合和能量守恒较为简易地计算出导热系数,计算结果可以反映出当地土层的平均导热系数,但不能反映导热系数沿深度的变化。
最后对郑州植物园展览馆的换热情况进行了测量,介绍了工程的概况,总结了测试仪在工程中的工作步骤及各因素对测量的影响,并用matlab软件利用线热源法对测量数据进行拟合分析,计算得到了岩土的导热系数,计算结果与设计方案较吻合。