土壤特性對土壤源熱泵系統影響測試分析

趙金秀（唐山學院土木工程系，河北　唐山063000）

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土壤特性對土壤源熱泵系統影響測試分析

趙金秀
（唐山學院土木工程系，河北唐山063000）

摘要：通過介紹土壤源熱泵系統的工作原理，體現土壤源熱泵系統的優勢，指出土壤特性對土壤源熱泵系統的重要性，給出土壤特性參數的測試方法，通過模擬測試土壤熱導率和初始溫度對土壤源熱泵系統的影響，并運用實測驗證土壤熱導率和初始溫度影響土壤源熱泵系統的性能，為地源熱泵系統在國內的推廣應用提供一定的參考。

關鍵詞：土壤源熱泵系統；土壤特性；土壤熱導率；土壤初始溫度；測試分析

0 引　言

現在全世界90%的能源來自于石油、天然氣、煤炭等不可再生的一次能源[1]，而這些能源都存在嚴重污染環境的問題，尤其是煤對環境污染更甚，而我國是燃煤大國，據有關資料顯示[2]：我國能源可開采儲量的資源保證度僅129.17年，其中原煤114.5年，原油20.1年，天然氣49.3年，不得不承認環境的惡化、霧霾的頻繁出現都和能源的使用情況分不開。面對環境惡化和能源危機，調整能源利用結構，尋求潔凈的可再生能源越來越受到人們的重視。

由于土壤源熱泵具有可持續發展性，近些年國內外逐步加強對它的系統研究[3]。我國正處于土壤源熱泵的發展階段，所以研發土壤源熱泵系統，是目前的一個重要工作。目前對于土壤源熱泵的研究主要集中在熱泵與機組的匹配效果、地埋管換熱器性能影響和運行策略分析等[4]。土壤是土壤源熱泵系統的一個重要影響因素，土壤的特性直接影響著土壤源熱泵地埋管換熱器換熱的效率。土壤初始溫度和土壤熱導率均是土壤源熱泵設計和研究的重要參數[5]。本文通過模擬和實測驗證，測試土壤熱導率和初始溫度對土壤源熱泵系統的影響，為地源熱泵系統的應用提供數據參考。

1 土壤源熱泵的工作原理及特點

1.1 土壤源熱泵系統工作原理

土壤源熱泵通過埋設在土壤中的地埋管換熱器與土壤交換熱量，可以對建筑供暖、供冷，相當于一套土壤源熱泵系統可以完成供熱鍋爐房、制冷機房、換熱站3套系統的功能。在夏季，土壤源熱泵地埋管換熱器向土壤中釋放熱量，地埋管內的循環水被土壤冷卻，對房間進行降溫。在冬季，土壤源熱泵地埋管換熱器吸收土壤中的熱量，加熱地埋管換熱器中的循環水，向房間供暖。系統原理圖如圖1所示。

1.2 土壤源熱泵特點

土壤源熱泵相比空氣源熱泵、水源熱泵等熱泵系統來說，具有系統受室外氣候影響小、運行穩定、制冷制熱效率高的優勢；相比于普通空調系統來說，具有能源消耗少、環境污染少、一機多用、節省建筑使用空間的優勢。

2 土壤特性對土壤源熱泵系統影響測試

土壤源熱泵系統最核心的設備就是地埋管換熱器，而地埋管換熱器設置在土壤中，所以土壤特征必然會影響到地埋管換熱器的換熱效果，所以研究土壤特性對土壤源熱泵系統意義重大。因此土壤源熱泵系統設計前要對工程所在地進行土壤特性勘察，勘察應包括以下內容[6]：1）土壤熱物性及土壤初始溫度；2）土壤內水位、水溫、水質、水流等；3）土壤凍土層深度等。

圖1 土壤源熱泵系統原理圖

2.1 土壤熱物性及溫度測試

土壤由固態顆粒物、水及空氣組成，其孔隙通道有很強的彎曲性、隨機性和無定向性，從而決定了其物理特性參數的復雜性。在淺層地熱能應用過程中，常采用密度、含水率、比重、飽和度、孔隙率、熱導率、比熱等參數描述土壤的熱物性[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。自然密度是指直接從地下取上來的原狀土壤，不經處理，氣液固三態共存時，質量和體積之比，見式（1）。干密度是將土壤樣品完全烘干后與烘干前相比，在保持外觀體積一樣的情況下，質量與體積之比，見式（2）。常見土壤的干密度一般在1.40～1.70g/cm3之間，其值越大，土體越密實，孔隙率越小，相應的熱導率也高。土壤土粒密度是固態顆粒物質量與其所占體積之比，見式（3）。

不同的土壤，自然密度和干密度不一樣。自然密度相同時，干密度越大，說明土壤越密實；干密度相同時，自然密度越大，說明含水率越高。

2.1.2 土壤含水率

土壤含水率分為質量含水率和體積含水率。質量含水率是指土壤中水的質量與顆粒物質量之比，見式（4）。體積含水率是指土壤中水占的體積與三態所占體積之比，見式（5）。一般砂質土壤含水率在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與水在標準大氣壓下4℃時的密度之比，又稱相對密度。因水在標準大氣壓下4℃時的密度為1.0g/cm3，所以土壤比重與土粒密度在數值上相等，但意義不同。土壤比重的大小主要取決于土壤固態物的種類與含量。大部分原狀土壤的比重在2.65～2.76之間。

2.1.4 土壤飽和度

土壤飽和度是指土壤中水的體積與孔隙體積（既水體積和空氣體積）之比，其計算公式為

其值在工程中常作為濕度劃分的標準。

2.1.5 土壤孔隙率

土壤孔隙率是指土壤中孔隙的體積與總體積之比，其計算公式為

孔隙率反映了土壤孔隙狀況也就是密實程度，比如粗砂土的孔隙率約33%～35%；粘質土的孔隙率約45%～60%。土壤的孔隙率約55%～65%。土壤的孔隙率直接影響其熱導率，孔隙越大表明固態顆粒物間氣、液態物質越多。

在上述土壤的各項指標中，土壤的密度、含水率和比重3項指標通過實驗測得，其他指標通過這3項指標可以換算得到。

2.1.6 土壤熱導率

在土壤源熱泵系統的設計和研究中，土壤熱導率常用熱響應試驗得到。根據土壤的種類確定熱導率的大致范圍。如在恒定熱流法中，采用線性熱源進行數據整理[8]，得到土壤熱導率計算式為

式中：Q——加熱的功率，W；

H——埋管井的深度，m；

m——埋管內流體溫度隨對數加熱時間變化曲線的線性段斜率，熱響應計算時間從加熱后10h開始，以減小埋管井熱容的影響。

2.1.7 土壤初始溫度

土壤溫度受影響因素的影響程度不同大致分為變溫層、恒溫層和增溫層[9]。在土壤較淺處，由于受到太陽輻射、氣溫的變化影響而發生變化，隨著深度的增加，太陽輻射、氣溫的影響漸漸減弱，土壤溫度變化很小，達到恒溫，這個深度約在20～300 m，恒溫層之后便為增溫層。土壤源熱泵系統埋管深度一般在100m左右，分布在變溫層和恒溫層。確定土壤初始溫度一般采用實驗測量。如在恒定熱流法中，在不啟動熱源的情況下，當地埋管換熱器循環運行一段時間后，進出口水溫恒定不變的平均溫度即為土壤初始溫度。

2.2 土壤特點對土壤源熱泵系統影響測試

在土壤特性中，最重要的因素就是土壤熱導率和土壤初始溫度，它們直接影響著土壤源熱泵系統地埋管換熱器的換熱效果和布置情況。不同的土壤，其熱導率和初始溫度不同，從而使土壤源熱泵系統性能會不一樣[10-11]。下面分別通過系統模擬實驗和實地試驗對土壤熱導率和初始溫度影響土壤源熱泵地埋管換熱器的情況進行測試分析。

2.2.1 不同的土壤熱導率影響地埋管換熱器效率模擬測試

不同地區的土壤結構類型不同，土壤的熱導率不同，即使同一個地區不同位置也可能存在土壤結構差異，所以模擬試驗中采用不同的土壤熱導率來測試對土壤源熱泵地埋管換熱器的影響。

測試中，根據土壤熱導率熱響應試驗，并結合工程實際，土壤熱導率選取為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 W/（m·K）；加熱器功率恒定為5 W；介質流速恒定為1.0m/s；土壤初始溫度取18℃。系統運行恒定后，測試數據整理如圖2、圖3所示。

從模擬結果顯示：土壤熱導率越大，地埋管換熱器進出口水溫度越低，說明地埋管換熱器換熱效果越好，越有利于提高土壤源熱泵系統的性能。為了驗證模擬測試的正確性，進行了工程實地試驗。試驗設在唐山市高新區內和天津北辰區，采用內徑25 mm 的U型垂直PE地埋管換熱器，埋深100m，通過實測兩地的土壤熱導率分別為1.38，1.68 W/（m·K），通過控制功率加熱水箱內的水來模擬夏季制冷工況下地埋管換熱器放熱情況的實測數據，如圖4所示。

實測結果和模擬結果具有相同的結論，土壤熱導率的大小影響著土壤源熱泵系統地埋管換熱器的換熱效果。所以在土壤源熱泵系統設計時，首先考慮熱導率大的土壤區域，以提高土壤源熱泵系統的節能效果。

2.2.2 不同的土壤初始溫度對地埋管換熱器影響測試

不同的地區，土壤初始溫度一般不一樣，即使相同地區在不同季節的初始溫度也可能不同。所以試驗中采用不同的土壤初始溫度來測試對土壤源熱泵地埋管換熱器的影響。

測試中，根據土壤熱響應試驗并結合工程實際，土壤初始溫度選取為14，16，18，20，22，24℃；加熱器功率恒定為5 W；介質流動速度恒定為1.0m/s；土壤熱導率取2.0 W/（m·K）。系統運行恒定后，測試數據如圖5、圖6所示。

圖2 （模擬）不同土壤熱導率地埋管換熱器進口水溫變化

圖3 （模擬）不同土壤熱導率地埋管換熱器出口水溫變化

圖4 （實測)不同土壤熱導率地埋管換熱器進出口水溫變化

圖5 （模擬）不同土壤初始溫度地埋管換熱器進口水溫變化

圖6 （模擬）不同土壤初始溫度地埋管換熱器出口水溫變化

圖7 （實測）土壤初始溫度地埋管換熱器進出口水溫變化

從模擬結果顯示：隨著土壤初始溫度的增加，地埋管換熱器的進出口水溫相應地增加。通過對唐山開發區和天津北辰區土壤初始溫度測試分別約為14℃和16℃，同樣實地試驗測試如下：

可以看出實測結果與模擬圖線變化類似，土壤初始溫度越高，對地埋管換熱效果越不利，而且當地層初始溫度較高時，就會使地埋管換熱器出口水溫超過32℃，土壤源熱泵系統便失去節能效果。

3 結束語

近幾年土壤源熱泵系統發展迅速，但由于研究時間較短，技術上的限制，可能一些土壤源熱泵系統達不到預期的節能環保效果，所以仍然需要對其進行不斷探索和深入研究。下一步預期的工作：

1）研究在土壤熱導率非單一值下對土壤源熱泵系統的影響測試。

2）土壤源熱泵系統全年使用對土壤溫度平衡的影響測試。

參考文獻

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（編輯：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

文獻標志碼：A

文章編號：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

基金項目：唐山市科技局基金項目（15110210a）

作者簡介：趙金秀（1980-），女，河北唐山市人，講師，碩士，主要從事暖通和熱泵節能技術研究。