浅层岩土热物性参数测试试验与研究

论文摘要

随着常规能源的日益枯竭,可再生能源和新能源的开采逐渐受到人们的重视,地热是一种典型的清洁能源,同时它也被称为“绿色能源”和“可再生能源”。地源热泵技术就是利用浅层地热能作为热源的一种节能、环保的先进技术。其中又以土壤源热泵最为清洁和环保。地层热物性参数是影响地源热泵地下换热器设计的关键因素,包括土壤的导热系数、热扩散率和体积比热。地下换热器设计必须事先准确已知反映岩土热反应能力的热物性参数。在一定热负荷下,地下换热器数量和深度很大程度上取决于土壤热物性参数。对于大型的垂直埋管热泵系统,需进行现场地层热物性原位测试,可以得到较准的钻孔的地层平均导热系数和钻孔的热阻。但目前国内专门用于这方面测量的仪器还非常少,至今还没有制定地层热物性原位测试的标准,这在很大程度上影响了土壤源热泵的发展。本文在吉林大学绿色能源研究与开发实验室的地源热泵实验平台的基础上,利用地源热泵系统和地层热物性原位测试仪,建立了地源热泵钻孔热反应测试仪系统,开展试验研究。通过运行制冷和制热两种工况,将测量得到的初始温度、瞬时流量、进井温度、出井温度等数据,进行分析整理,利用计算软件和线源模型、柱源模型得到地层平均导热系数和钻孔的热阻。并利用MATLAB-PDETool工具作出了垂直单U型埋管周围不同导热系数土壤的温度场分布图和不同管径埋管换热器周围土壤温度场分布图,进行分析。本论文的研究对推广地源热泵工程具有重要的指导意义和实用价值,对进行区域性甚至是全国性的浅层地热资源大调查,对合理利用我国地热资源,减少其它能源消耗,保护环境等具有相当重要的现实意义。?

论文目录

• 论文提要
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景
• 1.2 问题的提出
• 1.3 论文研究的理论及现实意义
• 1.3.1 论文研究的基本思路
• 1.3.2 论文研究的现实意义
• 1.4 热反应测试仪国内外的研究状况
• 1.4.1 热反应测试仪国外研究现状
• 1.4.2 热反应测试仪的国内研究现状
• 1.5 埋管换热器传热模型的国内外现状
• 1.5.1 解析法传热模型
• 1.5.2 数值法传热模型
• 1.6 研究的主要内容
• 第2章 浅层岩土体热物性参数测试
• 2.1 测试仪系统总体结构设计
• 2.2.1 测试仪的基本原理
• 2.1.2 测试仪整体结构设计
• 2.2 浅层岩土热物性参数测试
• 2.2.1 试验台概况
• 2.2.2 地下埋管换热器
• 2.2.3 地层情况及回填材料
• 2.3 测试准备
• 2.3.1 测试仪安装和调试
• 2.3.2 测试仪内部管道和设备的保温处理
• 2.4 测试试验
• 2.4.1 大地初始温度的确定
• 2.4.2 测试时间的确定
• 2.4.3 储热工况下热反应测试
• 2.4.4 取热工况下热反应测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 测试数据处理
• 3.1 热物性测试模型研究
• 3.1.1 线源模型
• 3.1.2 圆柱热源模型
• 3.2 MALTLAB 软件简介
• 3.3 模型参数计算程序
• 3.4 土壤物性参数取值范围
• 3.5 测试数据分析
• 3.5.1 储热工况下测试数据分析
• 3.5.2 取热工况下测试数据分析
• 3.5.3 计算结果分析
• 3.6 影响因素分析
• 3.6.1 土壤初始温度的影响
• 3.6.2 土壤体积比热的影响
• 3.6.3 钻孔直径的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 垂直埋管换热器周围土壤温度场数值模拟
• 4.1 利用MATLAB PDETool 实施传热分析
• 4.1.1 MATLAB PDETool 简介
• 4.1.2 垂直埋管周围土壤热传导温度场的PDETool 解法
• 4.2 垂直U 型埋管周围温度场的传热模型
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 传热模型的数值求解
• 4.2.4 不同土壤导热系数对埋管周围土壤温度场的影响
• 4.2.5 不同埋管管径对埋管周围土壤温度场的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract