土壤地埋管熱響應(yīng)測(cè)試儀

巖土熱物性測(cè)試儀

巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀    土壤熱物性測(cè)試儀

    土壤耦合熱泵系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)、、運(yùn)行的性，近年來得到了廣泛的關(guān)注和暖通人士的。由于地源熱泵系統(tǒng)利用清潔的淺層地下熱能作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，成為國內(nèi)現(xiàn)有綠色建筑項(xiàng)目的，加之相關(guān)扶持政策的推行，地源熱泵在我國進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展期，應(yīng)用項(xiàng)目不斷增多，技術(shù)也越來越成熟。

    土壤源熱泵空調(diào)是一種利用淺層地?zé)岬目稍偕茉纯照{(diào)技術(shù),具有的特點(diǎn)。在地源熱泵技術(shù)中,地埋管換熱器的換熱性能對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的整體性能有著決定性的影響,而土壤熱物性參數(shù)是埋地管換熱器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù),直接決定了地埋管的長(zhǎng)度和地源熱泵系統(tǒng)的初投資。因此,準(zhǔn)確地獲得土壤熱物性參數(shù)是重要的。

    地下巖土熱物性參數(shù)作為土壤耦合熱泵系統(tǒng)的重要參數(shù)，對(duì)方案設(shè)計(jì)的成功與否影響大。然而由于我國目前還沒有相應(yīng)的規(guī)范和詳細(xì)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)地下?lián)Q熱器的傳熱模型及設(shè)計(jì)計(jì)算等方面的研究體系不完善，導(dǎo)致測(cè)試人員無章可依設(shè)計(jì)人員各執(zhí)一詞。不同測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果相差較大，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，造成不同設(shè)計(jì)方案差別大，系統(tǒng)運(yùn)行效率不高、出力不足或初投資過大等問題，嚴(yán)重制約了地源熱泵系統(tǒng)在我國的發(fā)展。因此，地下巖土的熱物性參數(shù)熱響應(yīng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化問題、統(tǒng)一地源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法問題急需解決。 

    針對(duì)對(duì)對(duì)以上問題，我公司對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的熱響應(yīng)測(cè)試儀進(jìn)行了改進(jìn)，研制出可分別進(jìn)行夏季排熱工況和冬季吸熱工況測(cè)試的一體機(jī)，從測(cè)試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型到組裝調(diào)試都力求精益。 在熱物性參數(shù)的計(jì)算方面，我公司結(jié)合現(xiàn)有的線熱源模、柱熱源及改進(jìn)模型，詳細(xì)推導(dǎo)了模型解析解，從數(shù)學(xué)角度和實(shí)際工程角度分析了巖土原始溫度、測(cè)試時(shí)長(zhǎng)及巖土比熱容對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試的影響。 

     我公司在分析調(diào)研國內(nèi)外研發(fā)的土壤熱物性測(cè)試儀基礎(chǔ)上,根據(jù)熱響應(yīng)原理研制出了一臺(tái)以PLC為數(shù)據(jù)采集和處理的土壤熱物性測(cè)試儀,同時(shí)編寫了一套計(jì)算土壤熱物性參數(shù)的相關(guān)軟件。使用模擬軟件作為地源熱泵設(shè)計(jì)軟件，通過該軟件對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬，結(jié)合測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并對(duì)方案未來 30年內(nèi)的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，對(duì)結(jié)果進(jìn)行地下熱平衡分析后，通過改進(jìn)地下?lián)Q熱器及控制策略對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。 實(shí)際應(yīng)用表明,該測(cè)試儀具有操作方便、使用、穩(wěn)定、測(cè)試高等優(yōu)點(diǎn),能夠順利完成土壤熱物性的測(cè)試任務(wù)。

     在土壤熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)地源熱泵換熱器地下豎直埋管非穩(wěn)態(tài)傳熱分析,提出了針對(duì)回填材料的熱阻修正因子,并引入了熱短路修正方法對(duì)循環(huán)水平均溫度進(jìn)行修正。同時(shí)在綜合考慮對(duì)Carslaw柱源模型已有修正的基礎(chǔ)上,提出了圓柱源綜合修正模型。然后借助二維垂直換熱器數(shù)值模型,將原模型和柱熱源修正模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,證明了修正模型比原模型具有更好的計(jì)算。利用測(cè)試儀器對(duì)某測(cè)試鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，使用斜率法和參數(shù)估計(jì)法分別進(jìn)行了計(jì)算并相互校核，得到了較準(zhǔn)確的巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)及鉆孔熱阻等參數(shù)，為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 我公司還進(jìn)一步分析了回填土導(dǎo)熱系數(shù)、等價(jià)半徑、熱流不均勻、熱短路等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,進(jìn)一步驗(yàn)證了修正模型的性并提出了計(jì)算速度的方法。了土壤熱物性參數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確度,對(duì)于土壤熱響應(yīng)測(cè)試的發(fā)展起到了的推動(dòng)作用。

     綜上所述，我公司著重對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試儀的改進(jìn)，利用測(cè)試數(shù)據(jù)得到巖土熱物性參數(shù)，為熱響應(yīng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化及巖土熱物性數(shù)據(jù)庫的建立提供了一些參考。同時(shí)將測(cè)試結(jié)果用于實(shí)際工程，建立了系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)方法，為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)一化作出一些貢獻(xiàn)。

     設(shè)計(jì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器需要知道地下土壤的平均熱物性參數(shù)，即土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，主要是得出每延米的換熱量，用來指導(dǎo)實(shí)際施工。若熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則所設(shè)計(jì)的室外換熱系統(tǒng)就不能滿足建筑負(fù)荷需要，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)模過大，從而大大增加初期投資費(fèi)用。有研究表明：當(dāng)巖土的導(dǎo)熱系數(shù)（或?qū)叵禂?shù)）發(fā)生10%的偏差，則設(shè)計(jì)的地下埋管長(zhǎng)度偏差為4.5%-5.8%。以10000平方米的建筑面積，能節(jié)省管長(zhǎng)3000米，節(jié)省成本5-6萬元，占總成本6%-8%。此一項(xiàng)，所的直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值就是可觀的。所以準(zhǔn)確獲得土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，不能降低初期投資，還具有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)意義，同時(shí)有利于在更大的范圍內(nèi)推廣這種新型的綠色的空調(diào)技術(shù)，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。
     　　通過測(cè)試，獲得埋地?fù)Q熱器與周圍土壤間的換熱規(guī)律、每延米井深的換熱量、地下巖土的熱物性參數(shù)以及周圍土壤溫度的變化情況等，為設(shè)計(jì)地源換熱系統(tǒng)以及整個(gè)熱泵系統(tǒng)提供依據(jù)。
     　　測(cè)試將檢測(cè)所選用的鉆井方法和設(shè)備在鉆孔施工、換熱管安裝中是否是配置，并得出單孔鉆進(jìn)、成孔時(shí)間。另外鉆鑿測(cè)試孔可確定項(xiàng)目區(qū)的巖性構(gòu)成，進(jìn)而確定其可鉆性以及控制換熱孔鉆鑿深度。為后期施工組織設(shè)計(jì)提供原始資料。

    目前獲得土壤熱物性參數(shù)的方法主要有兩種：資料查表法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法。
    資料查表法是通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔或其他的一些物探方法，得出項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐牡貙悠拭妗Ｍㄟ^已有的資料找到對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)，然后加權(quán)平均計(jì)算出土壤熱物性參數(shù)。這種方法所得到的數(shù)據(jù)往往是個(gè)比較寬廣的范圍，設(shè)計(jì)師為了起見通常選擇較低的數(shù)據(jù)，因此經(jīng)常造成換熱孔的數(shù)量過大。此外，在加權(quán)平均計(jì)算時(shí)也容易出現(xiàn)偏差和錯(cuò)誤。

    與資料查表法相比，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法更加科學(xué)、直觀，本次測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法。該方法是目前國內(nèi)外常使用的分析處理方法，它可以避免換熱孔的施工工藝、地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、原始溫度等多方面不同因素對(duì)換熱能力的影響，從而得出接近于實(shí)際換熱孔的換熱參數(shù)。 

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地源熱泵巖土熱物性測(cè)試儀

熱響應(yīng)測(cè)試儀

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