土壤特性对土壤源热泵系统影响测试分析

赵金秀（唐山学院土木工程系，河北　唐山063000）



土壤特性对土壤源热泵系统影响测试分析

赵金秀
（唐山学院土木工程系，河北唐山063000）

摘要：通过介绍土壤源热泵系统的工作原理，体现土壤源热泵系统的优势，指出土壤特性对土壤源热泵系统的重要性，给出土壤特性参数的测试方法，通过模拟测试土壤热导率和初始温度对土壤源热泵系统的影响，并运用实测验证土壤热导率和初始温度影响土壤源热泵系统的性能，为地源热泵系统在国内的推广应用提供一定的参考。

关键词：土壤源热泵系统；土壤特性；土壤热导率；土壤初始温度；测试分析

0 引　言

现在全世界90%的能源来自于石油、天然气、煤炭等不可再生的一次能源[1]，而这些能源都存在严重污染环境的问题，尤其是煤对环境污染更甚，而我国是燃煤大国，据有关资料显示[2]：我国能源可开采储量的资源保证度仅129.17年，其中原煤114.5年，原油20.1年，天然气49.3年，不得不承认环境的恶化、雾霾的频繁出现都和能源的使用情况分不开。面对环境恶化和能源危机，调整能源利用结构，寻求洁净的可再生能源越来越受到人们的重视。

由于土壤源热泵具有可持续发展性，近些年国内外逐步加强对它的系统研究[3]。我国正处于土壤源热泵的发展阶段，所以研发土壤源热泵系统，是目前的一个重要工作。目前对于土壤源热泵的研究主要集中在热泵与机组的匹配效果、地埋管换热器性能影响和运行策略分析等[4]。土壤是土壤源热泵系统的一个重要影响因素，土壤的特性直接影响着土壤源热泵地埋管换热器换热的效率。土壤初始温度和土壤热导率均是土壤源热泵设计和研究的重要参数[5]。本文通过模拟和实测验证，测试土壤热导率和初始温度对土壤源热泵系统的影响，为地源热泵系统的应用提供数据参考。

1 土壤源热泵的工作原理及特点

1.1 土壤源热泵系统工作原理

土壤源热泵通过埋设在土壤中的地埋管换热器与土壤交换热量，可以对建筑供暖、供冷，相当于一套土壤源热泵系统可以完成供热锅炉房、制冷机房、换热站3套系统的功能。在夏季，土壤源热泵地埋管换热器向土壤中释放热量，地埋管内的循环水被土壤冷却，对房间进行降温。在冬季，土壤源热泵地埋管换热器吸收土壤中的热量，加热地埋管换热器中的循环水，向房间供暖。系统原理图如图1所示。

1.2 土壤源热泵特点

土壤源热泵相比空气源热泵、水源热泵等热泵系统来说，具有系统受室外气候影响小、运行稳定、制冷制热效率高的优势；相比于普通空调系统来说，具有能源消耗少、环境污染少、一机多用、节省建筑使用空间的优势。

2 土壤特性对土壤源热泵系统影响测试

土壤源热泵系统最核心的设备就是地埋管换热器，而地埋管换热器设置在土壤中，所以土壤特征必然会影响到地埋管换热器的换热效果，所以研究土壤特性对土壤源热泵系统意义重大。因此土壤源热泵系统设计前要对工程所在地进行土壤特性勘察，勘察应包括以下内容[6]：1）土壤热物性及土壤初始温度；2）土壤内水位、水温、水质、水流等；3）土壤冻土层深度等。

图1 土壤源热泵系统原理图

2.1 土壤热物性及温度测试

土壤由固态颗粒物、水及空气组成，其孔隙通道有很强的弯曲性、随机性和无定向性，从而决定了其物理特性参数的复杂性。在浅层地热能应用过程中，常采用密度、含水率、比重、饱和度、孔隙率、热导率、比热等参数描述土壤的热物性[7]。

2.1.1 土壤密度

土壤密度分自然密度、干密度和土粒密度。自然密度是指直接从地下取上来的原状土壤，不经处理，气液固三态共存时，质量和体积之比，见式（1）。干密度是将土壤样品完全烘干后与烘干前相比，在保持外观体积一样的情况下，质量与体积之比，见式（2）。常见土壤的干密度一般在1.40～1.70g/cm3之间，其值越大，土体越密实，孔隙率越小，相应的热导率也高。土壤土粒密度是固态颗粒物质量与其所占体积之比，见式（3）。

不同的土壤，自然密度和干密度不一样。自然密度相同时，干密度越大，说明土壤越密实；干密度相同时，自然密度越大，说明含水率越高。

2.1.2 土壤含水率

土壤含水率分为质量含水率和体积含水率。质量含水率是指土壤中水的质量与颗粒物质量之比，见式（4）。体积含水率是指土壤中水占的体积与三态所占体积之比，见式（5）。一般砂质土壤含水率在0～40%；粘性土壤含水率在20%～60%。

2.1.3 土壤比重

土壤比重是指土粒密度与水在标准大气压下4℃时的密度之比，又称相对密度。因水在标准大气压下4℃时的密度为1.0g/cm3，所以土壤比重与土粒密度在数值上相等，但意义不同。土壤比重的大小主要取决于土壤固态物的种类与含量。大部分原状土壤的比重在2.65～2.76之间。

2.1.4 土壤饱和度

土壤饱和度是指土壤中水的体积与孔隙体积（既水体积和空气体积）之比，其计算公式为

其值在工程中常作为湿度划分的标准。

2.1.5 土壤孔隙率

土壤孔隙率是指土壤中孔隙的体积与总体积之比，其计算公式为

孔隙率反映了土壤孔隙状况也就是密实程度，比如粗砂土的孔隙率约33%～35%；粘质土的孔隙率约45%～60%。土壤的孔隙率约55%～65%。土壤的孔隙率直接影响其热导率，孔隙越大表明固态颗粒物间气、液态物质越多。

在上述土壤的各项指标中，土壤的密度、含水率和比重3项指标通过实验测得，其他指标通过这3项指标可以换算得到。

2.1.6 土壤热导率

在土壤源热泵系统的设计和研究中，土壤热导率常用热响应试验得到。根据土壤的种类确定热导率的大致范围。如在恒定热流法中，采用线性热源进行数据整理[8]，得到土壤热导率计算式为

式中：Q——加热的功率，W；

H——埋管井的深度，m；

m——埋管内流体温度随对数加热时间变化曲线的线性段斜率，热响应计算时间从加热后10h开始，以减小埋管井热容的影响。

2.1.7 土壤初始温度

土壤温度受影响因素的影响程度不同大致分为变温层、恒温层和增温层[9]。在土壤较浅处，由于受到太阳辐射、气温的变化影响而发生变化，随着深度的增加，太阳辐射、气温的影响渐渐减弱，土壤温度变化很小，达到恒温，这个深度约在20～300 m，恒温层之后便为增温层。土壤源热泵系统埋管深度一般在100m左右，分布在变温层和恒温层。确定土壤初始温度一般采用实验测量。如在恒定热流法中，在不启动热源的情况下，当地埋管换热器循环运行一段时间后，进出口水温恒定不变的平均温度即为土壤初始温度。

2.2 土壤特点对土壤源热泵系统影响测试

在土壤特性中，最重要的因素就是土壤热导率和土壤初始温度，它们直接影响着土壤源热泵系统地埋管换热器的换热效果和布置情况。不同的土壤，其热导率和初始温度不同，从而使土壤源热泵系统性能会不一样[10-11]。下面分别通过系统模拟实验和实地试验对土壤热导率和初始温度影响土壤源热泵地埋管换热器的情况进行测试分析。

2.2.1 不同的土壤热导率影响地埋管换热器效率模拟测试

不同地区的土壤结构类型不同，土壤的热导率不同，即使同一个地区不同位置也可能存在土壤结构差异，所以模拟试验中采用不同的土壤热导率来测试对土壤源热泵地埋管换热器的影响。

测试中，根据土壤热导率热响应试验，并结合工程实际，土壤热导率选取为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 W/（m·K）；加热器功率恒定为5 W；介质流速恒定为1.0m/s；土壤初始温度取18℃。系统运行恒定后，测试数据整理如图2、图3所示。

从模拟结果显示：土壤热导率越大，地埋管换热器进出口水温度越低，说明地埋管换热器换热效果越好，越有利于提高土壤源热泵系统的性能。为了验证模拟测试的正确性，进行了工程实地试验。试验设在唐山市高新区内和天津北辰区，采用内径25 mm 的U型垂直PE地埋管换热器，埋深100m，通过实测两地的土壤热导率分别为1.38，1.68 W/（m·K），通过控制功率加热水箱内的水来模拟夏季制冷工况下地埋管换热器放热情况的实测数据，如图4所示。

实测结果和模拟结果具有相同的结论，土壤热导率的大小影响着土壤源热泵系统地埋管换热器的换热效果。所以在土壤源热泵系统设计时，首先考虑热导率大的土壤区域，以提高土壤源热泵系统的节能效果。

2.2.2 不同的土壤初始温度对地埋管换热器影响测试

不同的地区，土壤初始温度一般不一样，即使相同地区在不同季节的初始温度也可能不同。所以试验中采用不同的土壤初始温度来测试对土壤源热泵地埋管换热器的影响。

测试中，根据土壤热响应试验并结合工程实际，土壤初始温度选取为14，16，18，20，22，24℃；加热器功率恒定为5 W；介质流动速度恒定为1.0m/s；土壤热导率取2.0 W/（m·K）。系统运行恒定后，测试数据如图5、图6所示。

图2 （模拟）不同土壤热导率地埋管换热器进口水温变化

图3 （模拟）不同土壤热导率地埋管换热器出口水温变化

图4 （实测)不同土壤热导率地埋管换热器进出口水温变化

图5 （模拟）不同土壤初始温度地埋管换热器进口水温变化

图6 （模拟）不同土壤初始温度地埋管换热器出口水温变化

图7 （实测）土壤初始温度地埋管换热器进出口水温变化

从模拟结果显示：随着土壤初始温度的增加，地埋管换热器的进出口水温相应地增加。通过对唐山开发区和天津北辰区土壤初始温度测试分别约为14℃和16℃，同样实地试验测试如下：

可以看出实测结果与模拟图线变化类似，土壤初始温度越高，对地埋管换热效果越不利，而且当地层初始温度较高时，就会使地埋管换热器出口水温超过32℃，土壤源热泵系统便失去节能效果。

3 结束语

近几年土壤源热泵系统发展迅速，但由于研究时间较短，技术上的限制，可能一些土壤源热泵系统达不到预期的节能环保效果，所以仍然需要对其进行不断探索和深入研究。下一步预期的工作：

1）研究在土壤热导率非单一值下对土壤源热泵系统的影响测试。

2）土壤源热泵系统全年使用对土壤温度平衡的影响测试。

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（编辑：李妮）

Test analysis for the influence of soil characteristics to soil source heat pump system

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

Abstract:This paper introduces the working principle of the soil source heat pump system，reflectes the advantages of the soil source heat pump system，pointes out the importance of soil characteristics to the soil source heat pump system，gaves out testing method of soil characteristic parameters，testes the effect of soil thermal conductivity and initial temperature on the soil source heat pump system by simulation，and the experimental results shows that the soil thermal conductivity and initial temperature affect the performance of the soil source heat pump system，Provides some useful reference for the popularization and application of soil source heat pump system in China.

Keywords:soil source heat pump；soil characteristics；soil thermal conductivity；soil initial temperature；test analysis

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）04-0140-05

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.04.030

收稿日期：2015-05-17；收到修改稿日期：2015-06-13

基金项目：唐山市科技局基金项目（15110210a）

作者简介：赵金秀（1980-），女，河北唐山市人，讲师，硕士，主要从事暖通和热泵节能技术研究。