趙金秀

(唐山學(xué)院 土木工程系，河北 唐山 063000)

土壤特性對地埋管換熱器傳熱影響分析
——以唐山市區(qū)為例

趙金秀

(唐山學(xué)院 土木工程系，河北 唐山 063000)

以唐山市區(qū)為例，介紹了土壤土質(zhì)特性與建設(shè)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性的關(guān)系，通過試驗(yàn)測定了土壤層溫度的變化，給出了土壤導(dǎo)熱系數(shù)的確定方法，并模擬分析了土壤層不同的初始溫度和土壤導(dǎo)熱系數(shù)對地埋管換熱器傳熱的影響。

土壤土質(zhì)特性；土壤初始溫度；土壤導(dǎo)熱系數(shù)；地埋管換熱器

土壤源熱泵系統(tǒng)是將地層土壤作為冷熱源，冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖，夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。它通過地埋管換熱器與地層土壤進(jìn)行熱量交換，所以土壤特性直接影響地埋管換熱器的性能，是土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器設(shè)計(jì)中需要考慮的最基本的參數(shù)。土壤特性主要包括土壤的土質(zhì)、土壤層的初始溫度、土壤的導(dǎo)熱系數(shù)等。地埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)最重要的換熱裝置，因此研究土壤特性對土壤源熱泵系統(tǒng)的工程建設(shè)有著重要的意義。

1 土壤的土質(zhì)

以唐山市區(qū)土壤的土質(zhì)情況為例進(jìn)行分析。唐山市區(qū)位于東經(jīng)117°31′-119°19′，北緯38°55′-40°28′，坐落于開平向斜西北翼一狹長型地壘構(gòu)造上，發(fā)育有一系列與開平向斜軸部平行的次一級斷裂和褶皺，市區(qū)西側(cè)為一高角度陡河正斷層，斷層西側(cè)形成明顯基巖陡坎和第四系等厚線較密集的高梯度帶，第四系厚度達(dá)380 m，下覆石炭二疊系；凸起帶東側(cè)是一隱伏的唐山斷層，其東側(cè)第四系厚度超過100 m[1]。在斷層間的是歸類于中、上元古界的薊縣系基巖、青白口系基巖和寒武-奧陶系基巖，基巖除部分殘地帶出露外，其余被第四系松散層覆蓋，覆蓋厚度約在30～50 m。一般土壤成分為粘土、粉質(zhì)粘土的第四系地層土壤，比較容易鉆井埋設(shè)地埋管換熱器，而基巖地層不易鉆井，地埋管埋設(shè)困難。北方地區(qū)地埋管換熱器的鉆孔深度一般在80～150 m之間。所以唐山市區(qū)位于兩條斷層帶東西兩側(cè)的區(qū)域，均適宜建設(shè)土壤源熱泵系統(tǒng)，而位于兩條斷層帶之間的區(qū)域則不太適宜。比如唐山市鷺港小區(qū)和唐山一中區(qū)域坐落于卑子院向斜西側(cè)，下伏二疊系灰?guī)r、頁巖，第四系覆蓋較厚，深度范圍為90～120 m，比較適宜建設(shè)土壤源熱泵系統(tǒng)；而位于唐山市路南區(qū)的萬達(dá)廣場一帶和路北區(qū)的市體育場一帶土壤層巖性歸類于古生界寒武系的泥灰?guī)r和灰?guī)r，以及歸類于青白口系的泥頁巖和砂巖，還有部分歸類于薊縣系的白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，其第四系的覆蓋厚度在30～50 m，不適宜建設(shè)土壤源熱泵系統(tǒng)。

2 土壤層的初始溫度

土壤層初始溫度對土壤源熱泵地埋管換熱器的性能及其埋深和間距都有著直接影響。在土壤成分、地面的覆蓋物以及環(huán)境氣候特點(diǎn)影響下的土壤溫度，存在地溫分布規(guī)律和變化特征。一般將土壤的溫度分布分為變溫層(地下約0～15 m，受環(huán)境氣候影響大)、恒溫層(地下約15～30 m，溫度基本不變)和增溫層(地下約30 m以下，溫度隨深度的增加而增加)三部分。

(1)

其中：H表示土壤深度(計(jì)算時(shí)從地面起算)，m；τ表示起算時(shí)間，h；Ts(H，τ)表示τ(h)、H(m)處土壤溫度，℃；K表示土壤覆蓋系數(shù)，若無覆蓋，K=1；a表示土壤熱擴(kuò)散率，m2/h；T0表示土壤平均溫度，℃；ω表示土壤年周期性變化溫度波頻率，1/h，ω=2π/8 760；A表示土壤周期性變化溫度波動的振幅，℃(注：后三個(gè)參數(shù)用年平均值)。

(2)

在土壤源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和計(jì)算中，常忽略日溫度波及地?zé)岬挠绊?，即取地層的恒溫層在未受到人為影響時(shí)的溫度為土壤的初始溫度。不同地區(qū)土壤層的初始溫度一般不同，即使是同一個(gè)地區(qū)的不同位置，因受到氣候、周圍環(huán)境的影響，土壤層的初始溫度也會不同?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2009)中提到，進(jìn)行土壤源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)必須以該片區(qū)域的熱響應(yīng)試驗(yàn)為依據(jù)。因此，測試了位于唐山市高新區(qū)的唐山學(xué)院北校區(qū)所在區(qū)域土壤層的溫度變化，其結(jié)果如圖1至圖3所示。從圖1和圖2中可以看出該區(qū)域恒溫層的土壤溫度為14 ℃。位于土壤恒溫層以下的增溫層的溫度變化規(guī)律是溫度隨著土壤深度的增加而增加。從圖3唐山學(xué)院北校區(qū)增溫層土壤溫度的測試(測試深度為40～160 m)曲線可以看出，該區(qū)域增溫速率為0.03 ℃/m。因增溫層溫度變化較小，所以工程計(jì)算中一般忽略此變化的影響。

圖1 唐山學(xué)院北校區(qū)不同深度的土壤層溫度變化

圖2 唐山學(xué)院北校區(qū)不同季節(jié)的土壤層溫度變化

圖3 唐山學(xué)院北校區(qū)增溫層土壤溫度變化曲線

下面通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同土壤初始溫度對地埋管換熱器傳熱的影響，實(shí)驗(yàn)采用河北工業(yè)大學(xué)箱柜式測試儀，通過恒定熱源法進(jìn)行。圖4給出了不同土壤層初始溫度對地埋管換熱器傳熱影響的模擬結(jié)果(實(shí)驗(yàn)加熱功率為3.8 W，即模擬夏季工況)。

圖4 不同土壤層初始溫度對地埋管換熱器傳熱的影響

從圖4中可以看出，地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫隨著土壤層初始溫度的增加而增加，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到48 h后進(jìn)出口水溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由此推斷，當(dāng)土壤層初始溫度過高時(shí)，會導(dǎo)致地埋管換熱器出口水溫增加，使土壤源熱泵系統(tǒng)的能效降低。

3 土壤的導(dǎo)熱系數(shù)

土壤的熱物性包括密度、含水率、比重、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率、比熱容量等參數(shù)。其中對地埋管換熱器性能起決定性作用的是土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，它關(guān)系到地埋管換熱器的埋設(shè)深度、埋設(shè)間距，以及流體的進(jìn)口溫度、出口溫度、換熱量的大小。準(zhǔn)確獲得土壤的導(dǎo)熱系數(shù)是地埋管換熱器設(shè)計(jì)與地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的必要條件。獲得該參數(shù)的方法有多種[3-5]，但目前主要依靠試驗(yàn)測定[6]。

采用恒熱流試驗(yàn)，利用線熱源模型處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)可以表示為：

(3)

式中：λ表示土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；Q表示試驗(yàn)的加熱功率，kW；a表示地埋管中流體溫度隨加熱時(shí)間(對數(shù)值)變化的曲線斜率；H表示試驗(yàn)的鉆孔深，m。

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2009)中提到：由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，結(jié)構(gòu)差異性大，所以對土壤導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行的熱響應(yīng)試驗(yàn)得到的測試數(shù)據(jù)只能代表該工程或該項(xiàng)目所在地的土壤參數(shù)。因此，對唐山幾個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行了熱響應(yīng)試驗(yàn)，得到唐山市東南區(qū)、西北區(qū)、西區(qū)深度120 m范圍內(nèi)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)在1.38～2.0 W/(m·k)之間。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)對地埋管換熱器傳熱的影響(實(shí)驗(yàn)加熱功率為3.8 W，即模擬夏季工況)，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)對地埋管換熱器傳熱的影響

從圖5可以看出，在土壤層初始溫度不變的情況下，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值越大，地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫越低，說明地埋管換熱器的傳熱效果越好，土壤源熱泵系統(tǒng)能效越高；從數(shù)據(jù)處理上還可以得出，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)越大，地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，而且運(yùn)行時(shí)間達(dá)到48 h后，地埋管換熱器進(jìn)出口水溫都可以接近穩(wěn)定，這與《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2009)中提到的土壤的熱響應(yīng)試驗(yàn)通常在48 h后基本達(dá)到穩(wěn)定的情況相符合。

4 結(jié)論

(1)通過對唐山市區(qū)土壤土質(zhì)特征測試及分析，確定第四系覆蓋深度在80 m以上的區(qū)域適宜土壤源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

(2)在土壤其他特性相同的情況下，土壤層初始溫度對地埋管換熱器的影響是使其進(jìn)出口水溫不同，但從實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可以看出，土壤層初始溫度對地埋管進(jìn)出口水溫溫差的影響不明顯，即對地埋管換熱器的傳熱系數(shù)影響不明顯。

(3)在土壤其他特性不變的情況下，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)越大，越有利于地埋管換熱器的傳熱，而且地埋管換熱器進(jìn)出口水溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，所以土壤的導(dǎo)熱系數(shù)越大越好。

[1] 魏風(fēng)華.唐山市巖溶塌陷機(jī)制分析[J].地質(zhì)與勘探，2006，42(2)：86-89.

[2] 刁乃仁，曾和義，方肇洪.豎直U型管地?zé)釗Q熱器的準(zhǔn)三維傳熱模型[J].熱能動力工程，2003，18(4)：387-390.

[3] Kavanaugh S P. Field tests for ground thermal properties methods and impact on ground-source heat pumps[J].ASHRAE Trans，1998，104(2)：347-355.

[4] 于明志，彭曉峰，方肇洪，等.基于線熱源模型的地下巖土熱物性測試方法[J].太陽能學(xué)報(bào)，2006，27(3)：279-283.

[5] 高青，余傳輝.地下土壤導(dǎo)熱系數(shù)簡化柱熱源模型確定方法[J].太陽能學(xué)報(bào)，2007，28(12)：1402-1406.

[6] 葛鳳華，劉紅楷，王劍，等.嚴(yán)寒地區(qū)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)與地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2014，44(11)：104-108.

(責(zé)任編校：李秀榮)

An Analysis of the Influence of Soil Properties on Ground Heat Exchangers： a Case Study of Tangshan City

ZHAO Jin-xiu

(Department of Civil Engineering， Tangshan College，Tangshan 063000，China)

The author of this paper， with Tangshan City as the subject， introduces the relationship between soil properties and the suitability of ground heat pumping system， puts forward a method for determining the thermal conductivity of the soil by measuring temperature changes in the soil layers， and simulates and analyzes the influence of different initial temperatures of soil layers and the soil thermal conductivity on the transfer effects of ground heat exchangers.

soil properties；initial soil temperature； soil thermal conductivity； ground heat exchanger

TK529

A

1672-349X(2015)06-0065-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.06.023