地源热泵埋地换热器回填土的实验研究
责任编辑：chineselng 浏览：2479次 时间： 2008-04-05 18:33:00
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摘要:地源热泵埋地换热器回填土的实验研究刘湘云陈颖赖康平史保新（广东工业大学，广东广州 ５１０００６）摘要：采集了地源热泵埋地换热器不同深度的粘土以及准备回填的沙土、混凝土样本，对其含水率和导热系数进行了测定。同时对粘土和沙子作为不同回填土时，换热器性..
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地源热泵埋地换热器回填土的实验研究 刘湘云 陈颖 赖康平 史保新 （广东工业大学，广东广州 ５１０００６） 摘要：采集了地源热泵埋地换热器不同深度的粘土以及准备回填的沙土、混凝土样本，对其含水率和导热系数进行了测定。同时对粘土和沙子作为不同回填土时，换热器性能进行了研究。实验表明，相同含水率条件下，混凝土的导热系数最大，粘土的导热系数最小。当沙子作为回填土时，比粘土作为回填土时双Ｕ和套管换热器的换热量增大约８％左右，单Ｕ换热器的换热量增大约为１６％左右。 关键词： 埋地换热器；回填土；导热系数；含水率 中图分类号： ＴＵ８３３ 文献标识码： Ａ １ 前言 自２０世纪５０年代起，我国就开始了对热泵技术的探索研究，但主要集中在对空气源热泵和水源热泵的研制与开发利用上［１］。２０世纪８０年代末，国内的许多学者开始了对地源热泵的探索研究，主要的研究领域侧重于对地下水平埋管，垂直Ｕ型埋管、套管及螺旋型埋管地源热泵的供热供冷性能的实验与理论研究［２，３］；关于回填材料的研究文献较少。李新国、朱强等认为混凝土比砂石回填材料有利于Ｕ型垂直埋管换热性能［４，５］，但是关于回填材料的含水率及其变化对埋地换热器性能的影响还没有相关报道。本文采集了混凝土、砂石以及不同埋管地下土壤层的粘土试样，研究了砂石、粘土和混凝土的最大含水率，以及沙子、粘土作为回填材料的导热系数以及对埋地换热器的换热性能的影响。 ２ 实验装置及方案 实验装置如图１所示。被测试样放在试样筒里。试样筒中心有圆柱型加热棒。为了防止热损失，在试样筒外侧设计了保温层１，保温层１外侧设置辅助加热器，辅助加热器外侧再设置保温层２。热电偶分别布置在如图所示的加热棒处，试样筒内测以及保温层１外侧。每处的热电偶数目为８。将各处测得的温度取平均值，分别为ｔ１，ｔ２和ｔ３。实验中调整辅助加热器的功率，使得平均温度ｔ３和平均温度ｔ２相等。此时保温层１就形成等温层，也就是绝热层。因而主加热棒的功率就是试样吸收的热量。则试样的导热系数λ可以由以下公式进行计算：  式中 Ｓ———形状因子 Ｉ———供给主加热棒的电流 Ｕ———电压 ｌ———主加热棒的长度 ｄ１———主加热棒的直径 ｄ２———试样筒的内径 影响沙土的导热系数的最主要两个因素是含水率和密度，而用作实验的沙土是采用相同的方法将沙土充实，可以认为沙子的密度是相同的。在这种情况下，影响沙子导热系数的决定性因素就只有含水率。 ３ 实验结果及分析 图２示出了沙子的含水率对导热系数的影响。实验同时采用渗透法测定了沙子的最大含水率为２０％。 从图中可以看出，随着含水率的增加，沙子的导热系数增大。当含水率在０％～６％范围内，即饱和程度在０％～３０％范围内，沙子的导热系数随含水率的变化而剧烈变化；当含水率在６％～１４％范围内，即饱和程度在１４％～７０％范围内，导热系数随含水率的变化相对较小；而当含水率在１４％～２０％范围内，导热系数随含水率的变化很小，在这种情况下，饱和程度从７０％到１００％改变了３０％，导热系数大约增加仅仅为２．５％。 图３为黏土导热系数与含水率的关系，粘土的最大含水率为３０％，随着含水率的增加，其导热系数随着含水率的增加而增加。当含水率为１０％～１９％的范围内，粘土的导热系数随含水率的增加而增加的幅度较大；当含水率为１９％～３０％的范围内，导热系数随含水率增加的幅度最小，变化趋于平稳。 混凝土含水率与导热系数关系示意，混凝土的最大含水率为２４％，在含水率为８％～１４％的范围内，导热系数的增加幅度最大，含水率在１４％～２４％范围内，导热系数的增加幅度较小。从图５中３种回填土导热系数的比较，可以看出，相同含水率条件下，混凝土的导热系数最大，沙子的导热系数与混凝土导热系数接近，粘土的导热系数最小。 另外，通过实验验证发现，干沙子或干粘土的导热系数都小于水的导热系数，但是含水率较大的沙子或者粘土的导热系数却大于水的导热系数。 对于不同的回填土，本文对３种不同埋地换热器单位井深换热量进行了对照研究，图６，７分别是粘土和沙子作为回填土时，在相同运行时间内，单Ｕ、双Ｕ以及套管换热器的单位井深换热量。从图中可以看出，当沙子作为回填土时，比粘土作为回填土时双Ｕ和套管换热器的换热量增大约８％左右，单Ｕ换热器的换热量增加较大，约为１６％左右。 ４ 结论 （１）通过实验，发现粘土的最大含水率为３０％，混凝土的最大含水率为２４％，沙子的最大含水率为２０％。 （２）相同含水率条件下，混凝土的导热系数最大，粘土的导热系数最小。 （３）干沙子或干粘土的导热系数都小于水的导热系数，但是含水率较大的沙子或者粘土的导热系数却大于水的导热系数。 （４）不同回填土对单位井深换热量的影响不同。在相同运行时间内，当沙子作为回填土时，比粘土作为回填土时双Ｕ和套管换热器的单位井深换热量增大约８％左右，而单Ｕ换热器的单位井深换热量增加较大，约为１６％左右。 参考文献 ［１］ 周亚素．土壤地源热泵的研究现状与发展前景［Ｊ］．新能源，１９９９，２１（２）：３７． ［２］ 赵军，宋德坤，李丽新，等．同轴套管式换热器周围介质层的传热特性［Ｊ］．热科学与技术，２００４，３（２）：１０９１１０． ［３］ 李新国，汪洪军，赵军，等，不同回填材料对Ｕ型垂直埋管换热性能的影响［Ｊ］．太阳能学报，２００３，２４（６），８１０８１３． ［４］ 朱强，李新国，赵军．不同方式地下埋管换热器的实验研究［Ｊ］．华北电力大学学报，２００４，３１（４），６１６４． |
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