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                地源熱泵埋地換熱器回填土的實驗研究

                點擊:1585 日期:[ 2014-04-26 22:14:22 ]
                                          地源熱泵埋地換熱器回填土的實驗研究                             劉湘云   陳穎   賴康平   史保新                         (廣東工業大學,廣東廣州?。担保埃埃埃叮?    摘要:采集了地源熱泵埋地換熱器不同深度的粘土以及準備回填的沙土、混凝土樣本,對其含水率和導熱系數進行了測定。同時對粘土和沙子作為不同回填土時,換熱器性能進行了研究。實驗表明,相同含水率條件下,混凝土的導熱系數最大,粘土的導熱系數最小。當沙子作為回填土時,比粘土作為回填土時雙U和套管換熱器的換熱量增大約8%左右,單U換熱器的換熱量增大約為16%左右。     關鍵詞: 埋地換熱器;回填土;導熱系數;含水率     中圖分類號:?。裕眨福常场   ∥墨I標識碼:?。?    1 前言     自20世紀50年代起,我國就開始了對熱泵技術的探索研究,但主要集中在對空氣源熱泵和水源熱泵的研制與開發利用上[1]。20世紀80年代末,國內的許多學者開始了對地源熱泵的探索研究,主要的研究領域側重于對地下水平埋管,垂直U型埋管、套管及螺旋型埋管地源熱泵的供熱供冷性能的實驗與理論研究[2,3];關于回填材料的研究文獻較少。李新國、朱強等認為混凝土比砂石回填材料有利于U型垂直埋管換熱性能[4,5],但是關于回填材料的含水率及其變化對埋地換熱器性能的影響還沒有相關報道。本文采集了混凝土、砂石以及不同埋管地下土壤層的粘土試樣,研究了砂石、粘土和混凝土的最大含水率,以及沙子、粘土作為回填材料的導熱系數以及對埋地換熱器的換熱性能的影響。     2 實驗裝置及方案     實驗裝置如圖1所示。被測試樣放在試樣筒里。試樣筒中心有圓柱型加熱棒。為了防止熱損失,在試樣筒外側設計了保溫層1,保溫層1外側設置輔助加熱器,輔助加熱器外側再設置保溫層2。熱電偶分別布置在如圖所示的加熱棒處,試樣筒內測以及保溫層1外側。每處的熱電偶數目為8。將各處測得的溫度取平均值,分別為t1,t2和t3。實驗中調整輔助加熱器的功率,使得平均溫度t3和平均溫度t2相等。此時保溫層1就形成等溫層,也就是絕熱層。因而主加熱棒的功率就是試樣吸收的熱量。則試樣的導熱系數λ可以由以下公式進行計算:                             式中?。印螤钜蜃?          I———供給主加熱棒的電流           U———電壓           l———主加熱棒的長度           d1———主加熱棒的直徑           d2———試樣筒的內徑     影響沙土的導熱系數的最主要兩個因素是含水率和密度,而用作實驗的沙土是采用相同的方法將沙土充實,可以認為沙子的密度是相同的。在這種情況下,影響沙子導熱系數的決定性因素就只有含水率。     3 實驗結果及分析     圖2示出了沙子的含水率對導熱系數的影響。實驗同時采用滲透法測定了沙子的最大含水率為20%。     從圖中可以看出,隨著含水率的增加,沙子的導熱系數增大。當含水率在0%~6%范圍內,即飽和程度在0%~30%范圍內,沙子的導熱系數隨含水率的變化而劇烈變化;當含水率在6%~14%范圍內,即飽和程度在14%~70%范圍內,導熱系數隨含水率的變化相對較??;而當含水率在14%~20%范圍內,導熱系數隨含水率的變化很小,在這種情況下,飽和程度從70%到100%改變了30%,導熱系數大約增加僅僅為2.5%。     圖3為黏土導熱系數與含水率的關系,粘土的最大含水率為30%,隨著含水率的增加,其導熱系數隨著含水率的增加而增加。當含水率為10%~19%的范圍內,粘土的導熱系數隨含水率的增加而增加的幅度較大;當含水率為19%~30%的范圍內,導熱系數隨含水率增加的幅度最小,變化趨于平穩。     混凝土含水率與導熱系數關系示意,混凝土的最大含水率為24%,在含水率為8%~14%的范圍內,導熱系數的增加幅度最大,含水率在14%~24%范圍內,導熱系數的增加幅度較小。從圖5中3種回填土導熱系數的比較,可以看出,相同含水率條件下,混凝土的導熱系數最大,沙子的導熱系數與混凝土導熱系數接近,粘土的導熱系數最小。     另外,通過實驗驗證發現,干沙子或干粘土的導熱系數都小于水的導熱系數,但是含水率較大的沙子或者粘土的導熱系數卻大于水的導熱系數。     對于不同的回填土,本文對3種不同埋地換熱器單位井深換熱量進行了對照研究,圖6,7分別是粘土和沙子作為回填土時,在相同運行時間內,單U、雙U以及套管換熱器的單位井深換熱量。從圖中可以看出,當沙子作為回填土時,比粘土作為回填土時雙U和套管換熱器的換熱量增大約8%左右,單U換熱器的換熱量增加較大,約為16%左右。     4 結論     (1)通過實驗,發現粘土的最大含水率為30%,混凝土的最大含水率為24%,沙子的最大含水率為20%。     (2)相同含水率條件下,混凝土的導熱系數最大,粘土的導熱系數最小。     (3)干沙子或干粘土的導熱系數都小于水的導熱系數,但是含水率較大的沙子或者粘土的導熱系數卻大于水的導熱系數。     (4)不同回填土對單位井深換熱量的影響不同。在相同運行時間內,當沙子作為回填土時,比粘土作為回填土時雙U和套管換熱器的單位井深換熱量增大約8%左右,而單U換熱器的單位井深換熱量增加較大,約為16%左右。     參考文獻     [1] 周亞素.土壤地源熱泵的研究現狀與發展前景[J].新能源,1999,21(2):37.     [2] 趙軍,宋德坤,李麗新,等.同軸套管式換熱器周圍介質層的傳熱特性[J].熱科學與技術,2004,3(2):109110.       [3] 李新國,汪洪軍,趙軍,等,不同回填材料對U型垂直埋管換熱性能的影響[J].太陽能學報,2003,24(6),810813.     [4] 朱強,李新國,趙軍.不同方式地下埋管換熱器的實驗研究[J].華北電力大學學報,2004,31(4),6164.
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