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地源热泵系统地面性能评价方法的研究

Suckho Hwang，Ryozo Ooka，Yujin Nam

摘要：技术针对地热能源，我们的可再生能源之一，加热和空调的建筑已经变得非常有吸引力，近年来在地源热泵（地源热泵）系统的发展。总的来说，虽然地源热泵系统的能源效率比传统的空气源热泵（空气源热泵）系统、地源热泵系统仍然是昂贵的。因此，采用地源热泵系统的建筑物的基础桩式换热器的引入是为了降低初始成本。当设计一个地源热泵系统（尤其是在能量桩系统的情况下），要准确地预测热交换器的热提取和注射速率。地面热、水力特性对地面换热器与地面换热的准确预测非常重要。特别是，这些都是最重要的设计参数，因为能量桩系统安装只有几十米深。在本文中，提出了一种估计方法，以确定的热性能和水力特性的地面设计的热交换器的能量桩系统的基础上，对岩土工程勘察设计的建筑的基础。使用的结果从一般应用岩土工程现场调查方法来估计地面的热性能和液压性能进行了评价。

关键词：地源热泵，能源桩系统，岩土工程勘察，热响应测试

1.介绍

由于全球能源危机的影响，需要使用可再生能源作为更大的重要性。技术针对地热能源，可再生能源的一种形式，加热和空调的建筑物有以下地源热泵重大进展最近变得越来越有吸引力（地源热泵）系统。在一般情况下，地源热泵系统比传统的空气源热泵更节能（热泵）系统。更高的性能系数（COP）可以通过地源热泵由于比空气温度的陆地的源/汇的温度是相对恒定的。此外，当地下水流在相关领域，通过在地下水中的含水层材料和对流的双重机制发生的热交换[ 1 ]。然而，在开始的时候，和安装一个建筑地源热泵系统的设计仍然是昂贵的。因此，它是至关重要的，以降低初始成本，通过优化系统的大小的设计。近年来，地源热泵系统采用建筑物桩基换热器（所谓的“能源桩系统”）被引入，一些建筑物，降低了无用的初始成本[2- 4]。

对于地源热泵系统的设计参数是气候、地面性质–分别在地面和地下换热器之间的热传递和建筑特点的重要因素（GHE）。此外，能源桩系统安装通常只有几十米深，地面的性能估计是设计中最重要的步骤和地源热泵系统的性能评估（特别是能源桩系统）。

在一般情况下，地面性质影响地源热泵系统的设计参数可分为两种类型：一类是热传导率和比热等热特性，另一种是地下水的水力特性。岩土工程测量减少了土壤热物性测定中的不确定度。地面上的性能更准确的信息可以让地埋管换热器的环路长度将减少节约成本。广泛的研究工作，包括现场测试和理论分析，已被应用于估计地面性能[ 5—16 ]。然而，现场测试，如热响应试验[17,18]，这是评估地面的热性能的方法，和抽水试验[19,20]，用来评价液压性能，都是昂贵和费时的，呈现出一种额外的障碍，引入地源热泵系统。另一方面，理论分析是能够利用地面的物理性质（如体积比例，晶粒尺寸，密度，孔隙度和饱和度比）的估计。这些物理性质可以很容易地从岩土工程勘察，这是一个建筑施工前进行的。但是，这些研究很少在硬岩的几个100米的深度进行的，因此这种方法不能适用于更大的深度只有做好“能源桩系统”这些基础桩配备热交换器管道，通常只有几十米深。从数据的体积比例和热性能（从已发表的数据上的土壤/岩石样品的土壤/岩石样品）的实验室进行的实验中使用的热传导率和热容量估计，而孔隙率，粒度分布和饱和度比是用来估计水力传导系数。如果这些岩土工程勘察的网站内至少有三个点，地下水流速可以假定从水表深度测量。

本文的目的是审查用于通过岩土工程勘察结果来确定地面的热工水力性能和验证采用数值模拟与能源堆系统的实验结果相比，这些方法的有效性估计方法。

2.地面物理性能

2.1．地面组件

地可以被认为是两相（饱和地面）或三阶段（不饱和地面）的混合物中 - 矿物和有机成分（固相），水（液相）和空气（气相） - 它连续地填充整个的地面容积，根据它们的体积的比例。的不饱和地面组件部分可以示出如在图1由一相图。其中V是体积，m是质量，M是重量和下标T，V，A，W，S是总的，无效的，空气，水和固体，分别。对于所有的实际目的，空气的重量被视为零。

2.2．地热性能的测定

地热性能，例如热导率和容量，是在接地导体热流方面非常重要。用于地面这些热性能的估计方法可以在两个主要类别进行分类。第一种方法是基于线源传热学理论[21,22]现场和实验室测试。第二种方法是使用有效的属性的概念，这取决于它们的部件[6]的统计结构的理论方法。

在多组分和/或多相材料，例如地面的物理性质，有效性能的概念现在被广泛应用，实际上是一种单组分和相的等效特性它产生作为下复之一的相同的响应相同的给定条件[5]。这些有效的特性由介质内的每个组件，其相对比例，粒子的大小和接触面积和分布的特性来决定。各种模型来预测复合材料的有效性能已经提出和一些作者[5-10,23]施加。在所有的模型中，有效热性能接近的热性能的上限和下限，其分别对应于相的并联和串联分布。为有效热性能的合适的值被认为对应于几何平均值[7,23]。表1显示这些模型和两种组分材料相比的体积比例的热传导率的样品结果的结构表达式。这里必须注意的是，热导率也取决于矿物组成，有关该土工测试提供任何数据。因此歧义仍然在这里。

2.3导水率

地下水流对地面传热的影响已经收到更多的关注比其他物理特性的影响。地下水流由达西定律定义。这通常用于地下水系统的饱和区以及地下水流速流动模型被给定为：

其中v是达西速度，Ks的是水力传导率和dH/ dL的是含水层水力梯度。

水力传导率是比例常数，它描述通过地面的流体流动。它是媒体和流体的物理性质的磁导率的功能，并且一般是由晶粒尺寸和形状，质地和研磨颗粒的结构的影响，由压实，孔隙大小分布，气流的曲折度由动态粘度和透膜[12]的密度。

许多不同的方法已被开发来估计多孔介质，包括现场测试方法，实验室试验方法和经验公式的导水率。然而，现场试验方法是由缺乏所述含水层的几何形状和液压边界以及测试成本的精确知识的限制，而实验室测试方法有样品收集期间获得表示样本（地面样品的干扰的严重问题是一个重大的关注）和长测试时间。和岩石的渗透系数呈现出规模效应：显著的不同（与样本量增加）值是指手标本（实验室测量），很好的大小（抽水试验），并以大小山。因此，现场测试通常提供了比实验室值不同的K值。另一方面，根据粒度分布特征的经验公式已被开发并用于克服这些问题[25-27]。

导水率（KS）可以通过粒度分析使用与K将sedimnt的一些大小属性的经验公式来估计。有几种经验方法以经验式[32]的一般表达式来计算K值：

其中，Ks的是水力传导率[米/秒];g是重力加速度（9.8米/秒2]）;n是水的运动粘度（（动态粘度（M，[千克/（平方米$秒）]））/（水的密度（R，[千克/立方米]）），[2 /秒]）;C是表示布，颗粒形状，组成，和多孔介质的各向异性的无量纲因数;F（n）是孔隙度函数是水力传导率和孔隙率之间的关系（见表2）;n是孔隙度（无量纲），并且德是有效晶粒直径[米]对应于更细的部分的百分比（E）（重量）的粒度分布曲线上。

武科维奇和索洛呈现该考虑两者的孔隙率，并在水力传导率[28]的计算排序经验公式的一个广泛的汇编。哈森公式最初是为统一分级沙发达，但也是细沙碎石有用的，所提供的沉积物具有均匀系数（这是变异的粒径程度的反映。较低的Uc的表示粒径更均匀，这通常导致在不到5和有效晶粒直径的0.1和3mm之间的较高的孔隙率。Uc的四分之一D60 / D10）。太沙基公式是最适合于大粒度砂。 Zunker的公式可以适用于罚款和中粒沙子。的Kozeny公式是渗透性的最广泛接受和使用推导作为接地介质的特性的功能中的一个。它不适合于与任一有效粒径3mm以上或粘质理由地面。有足够的晶粒尺寸领域的一些经验方法见表2。

多孔材料中的不饱和水力传导率可以被描述为体积含水量（Q）的函数，并从[29]导出：

其中，K s是饱和水力传导率，QR是残留水含量，QS是饱和水含量，以及一个依赖于地面的指数不变。

3.热响应测试

热响应试验（TRT）是在接地热交换器的设计中使用的非常流行的确定地面热性能的方法。它涉及到有限量的热能成在一段几天地热交换器的注入，而监测传热流体的入口和出口温度，以及使用线源理论进行分析。的TRT概念最早由莫根森[21]提出，并在数篇论文[17,18,30,31]中被描述。在一般，TRT提供沿钻孔热交换器只的平均热导率值，并且通常需要50小时，以执行。

3.1分析方法

热响应测试数据的分析利用了线源理论。流体的温度响应可以用下面的公式，在给定的近似[18]：

其中Tf是循环流体温度，高度的埋管换热器的长度，a是热扩散率[W/mK的]，g是欧拉常数（0.5772），Rb是钻孔电阻[mK/ W]，Ti为不受干扰地温度。

实现是通过确定平均流体温度发展相对于自然对数的时间曲线的斜率：

其中，T_ave是在入口和出口温度之间的平均，s是曲线的斜率，b为所述曲线的y截距。

计算有效热导率，所述公式具有待转化：

其中，莱夫是有效导热率，Q是热注入/提取，和H是埋管换热器的长度。

3.2结果

该测试是在东京大学研究所工业科学的千叶实验站建成了地源空调系统实验室进行。钻孔的直径为166毫米和20微米的深度，一个标准的U型管（聚乙烯塑料用26毫米的内径）安装在井孔和装满细砂。循环水通过电热水器（具有约1千瓦的加热能力）加热和流率约为10升/分钟。循环水的温度在U形管的入口和出口进行测量。

应答测试的条件和结果示于表3中，而试验和分析结果示于图2和3。从测试数据计算出的有效热导率被确定为1.4 W / mK的。

4.岩土工程勘察地基特性

在岩土工程勘察是在同一网站的热响应试验进行。得到的地面如它的结构，密度，孔隙率，和饱和度的物理性质。地收集样品，并在从地面1米的间隔测试。

地面样品下降到4米的深度主要由粘土和淤泥（约40％的粘土和50％的淤泥）的，五间至7mu;m包括粘土，淤泥和砂子（约18％的粘土，27％的淤泥，和50％的沙子），样品的其余部分主要由砂的（超过85％的砂）。在离地面大约12米的深度，观察地下水位。从勘察地面样品的物理性质示于图5。

图4示出了在5，8，和18米的深度取出的样品的粒径分布曲线。有效粒径（D10）下调至6米并不明显，晚上8米深度是0.0135毫米，并在18米深度是0.1322毫米。地面的均匀系数（UC）是高达15米的深度要高得多。

使用几何平均法的热特性估计，和沙，淤泥和粘土的热特性的结果的基础上记录的数据（砂为3.0 W / mK的，淤泥和粘土是1.5W / mK）以下。使用Zunker的和的Kozeny的式水力特性估计，而且由于研磨颗粒的粒径非常小，均匀性的高系数，哈森的和太沙基公式在该研究中没有应用。此外，不饱和的渗透系数下降到7mu;m的深度，这是由小淤泥颗粒组成，是根据记录的数据。

用于热和水力特性所确定的结果表示在图5。此外，地下水梯度从地下水水位在它们位于在12m左右的实验场间隔生成5个观测孔（参照图6）推导出。在地下水梯度计算，已经使用了三个星期的平均水位。地下水流动的速度是13.6米/年基础上水力传导率和地下水梯度（）来计算。

5.估算方法和实验的比较

在我们以前的研究[32]，我们对地源热泵系统在千叶实验站加热和冷却性能进行了实验。在实验结果中，该地面热交换器，这是在实验期间用作在模拟和地下温度数据表面热通量条件的热提取和注入速率，收集和数据与数值模拟进行比较。

地面的热工水力特性的这种估算方法的有效性已经通过数值模拟有道理的。在这项研究中，有限元潜流及交通仿真系统（FEFLOW）已被用来计算地埋管换热器及其周围地面之间的热交换率和估计地下温度分布。对于FEFLOW能量守恒方程，在固相和液相的对流传导都分别如下[33]：

其中，3是体积分数，r是密度，E为内部（热）能量密度，是QT供热，ni为速度矢量，LIJ是热扩散张量，和上标和下标s是固体中，f是流动的。

仿真条件示于表4中由估计方法测定导热率被分成两个部分并水力传导被分成三个部分。在情况2中，地下水流不被认为是，渗透系数和地下水梯度不使用，并且从热响应测试的结果的有效热导率（）以下被采用。

图7示出在十个和19米的深度，每月平均地温年变化的模拟结果。测量点相距1.252.75米的热交换器的中心，分别。仿真结果估计方法（案例1）的预测效度与实验吻合。在案例2的结果，从响应测试有效的导热系数仅作为一个短期的估计。在10米的情况2的深度（地下水位以上）的温度（图7上）大于19米的深度（下地下水位）更精确（图7下），这表明，地下水流增强热传输周围的地面热交换器，以及在估计的接地热交换器的性能，采用的热应答测试结果的长期分析有一些差错的地热传递方面由于地下水流动的影响。

6.结论

在这项研究中，为了准确地设计了地埋管换热器，建议估计的方法，在设计建筑物的地基岩土调查获得的数据确定的地面热工水力特性。作者通过对实验结果进行比较的数值模拟研究了这些方法的有效性。

1. 使用的数值的仿真工具，其中可以分析热和地下水流的运动，在本文提出的估计方法可以用于确认在地面的传热。
2. 在一个长期的分析中，热应答测试具有在地面传热方面的一些错误，由于地下水流动的影响。

致谢

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