1绪论
1.1课题研究的背景和意义
21世纪可持续发展己经成为人类社会发展的共识和各国发展的共同方向，世界各国都在致力于低能耗、无污染、可再生的新能源工程技术的研究、推广以及应用。目前，在欧美等国家建筑能耗占总能耗的30%—40%，而在建筑能耗中则又以建筑采暖和空调能耗尤为突出，而且这个比例己超过50%。地源热泵是一种以岩土作为热量(夏季)和冷量(冬季)来源的空调系统，这种空调系统通过向热泵系统输入较少的电能，可将岩土中蕴含的较多的低温地热能转移到房间中，具有明显的节能效果。
1.1.1地源热泵系统
土壤源热泵系统主要由地下换热器系统、热泵系统和室内换热系统组成。地埋管换热器是在整个系统中实现能量与土壤间传递的部件。夏季将热泵机组从室内提取的热量连同机组的功耗传递到大地当中，冬季热泵机组则从土壤中提取热量，连同机组的耗功量传递给室内采暖，如图1.1。
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1.2进一步展开岩土热物性测试的必要性
通过对地埋管换热器在岩土中传热效果的实验研究，可以分析浅层地热能资源的状况。岩土热物性测试的目的就是研究地埋管在地下的传热效果，根据实地的勘察情况，选择测试孔的位置和数量，确定成孔工艺及测试方案[[9]，通过分析项目的概况、参考标准、岩土柱状图以及测试条件等因素，得到的土壤的导热系数和容积比热容，进而计算单位延长米换热量、钻孔的热阻。这些参数是地源热泵地埋管换热器设计的依据。Cane和Forgas采用国际地源热泵协会(IGSHPA)所推荐的方法，对埋管长度进行了深入的研究，发现地埋管的长度如果超过实际需要的10%^'33%，足以使地源热泵丧失经济优势。
目前我国地源热泵工程进行的岩土热物性测试仍有很多不够规范之处，主要体现在以下几个方面:①相当一部分应该做岩土热物性测试的工程项目未做;②部分工程所采用的测试方法不规范或所采用的测试仪器不规范。《地源热泵系统工程技术规范》中规定，岩土热物性测试仪应具备有效期内的检验合格证、校准证或测试证书，若测试前未对仪器进行校对，则测试精度无法保证。现有的地源热泵岩土热物性测试数据处理模型种类众多，如钻孔外的线源和柱源模型等，但是大多数测试仅采用了一种模型，而没有做模型之间分析结果的差别对比，查找出存在差别的原因。也有研究者采用数值模拟方法进行分析处理的，虽可细致考察多种因素的影响，但现有数值模拟研究在边界条件和初始条件设置方面存在局限性，很难做到完全逼真的分析处理，导致结果不够深入细致。因此，只有结合岩土热响应测试实际数据，采用多种方法和模型加以分析处理，给出不同处理方法得出的结果，分析其差别，才能在工程中更准确快捷地得出土壤导热系数和容积比热容等设计必需的重要参数。
1.2.1岩土热物性测试方法的介绍
由于岩土的类型很多，随地理位置的不同，岩土的种类也有所不同，同时岩土内部宏观、微观结构的差别也对热物性有影响，所以不容易确定岩土热物性参数。目前常用到的方法有:岩土类型判别法、稳态测试法、探针法和现场测试法
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2现场岩土热响应试验数据分析的理论模型
地埋管换热器的传热性能受到岩土的热物性参数、地埋管的换热型式等诸多因素的影响。由于岩土类型、热物性参数及含湿量等都会随着地点的不同而有所差异，因此如果没有选用工程所在地可靠的热物性参数，就会直接影响到地埋管换热器设计的准确性以及热泵系统运行的稳定性。目前，通常采用现场岩土热响应试验的方法来确定岩土热物性参数和埋管换热器的取、放热性能，其结果较为准确。根据布置形式的不同，地埋管换热器可以分为竖直埋管和水平埋管两类。水平埋管方式适合于软土地区，占地面积大，其优点是造价低。目前实际工程中更广泛应用的是竖直埋管方式的换热器，其占地面积小，传热效果好，尤其适合建筑密集的城市项目应用[[46]。课题中的热响应试验以工程实际中所采用的竖直地埋管换热器形式来开展。因此为了分析岩土的导热系数、容积比热容等热物性参数以及单位井深的换热量，就需要借助于竖直地埋管换热器的传热模型。
地埋管换热器传热数学模型可采用理论解析法和数值计算方法求解。对岩土热响应试验的处理也多是基于解析解(K21V1ri}47][48]的线热源模型和基于无限长柱热源模型，但是采用不同的解析法求解时，数学模型会引入不同程度地简化和假设，从而影响到数据处理结果的准确性;最新研究也有采用数值解法的，这种方法比较接近地埋管传热的真实情况，通常用到的有有限元法、有限差分法等
工程上分析单个钻孔中地埋管与岩土的传热过程时，是将整个过程分解为钻孔内部的传热过程和钻孔外(钻孔壁面和外部岩土层)的传热过程两部分。钻孔内传热问题因钻孔的几何尺寸及回填料热容相对很小，可近似按稳态传热过程来处理。钻孔壁至远处土壤的传热过程则应按非稳态过程考虑。
2.1地源热泵钻孔内的传热过程的分析模型
工程上最为常用的竖直U型地埋管换热器有单U和双U两种形式，单U型地埋管换热器的钻孔内埋设有一组U型塑料管;而双U型埋管换热器则在一个钻孔内埋设有两组U型塑料管。显然双U型地埋管换热器钻孔内的传热面积较大，因而单位深度的钻井换热量将较大。对于一定的建筑空调负荷，若采用双U型埋管换热器，则地源热泵系统所需的钻孔总长度就可减小，但是这种埋管方式也会使管材的费用和系统运行过程中的能耗相应地有所增加。
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3 现场岩土热响应.................34-43
3.1 岩土热物性..................... 34-36
3.2 岩土热响应............... 36-40
3.2.1 测试仪.............................36-37
3.2.2 试验装........................ 37-40
3.3 现场岩土热........... 40-43
3.3.1 试验的准........................ 40-41
3.3.2 初始地温.................... 41-42
3.3.3 热响应试验..................42-43
4 热响应试验结果...............43-56
4.1 工程背景介绍 ..............43-45
4.1.1 土壤初始温........... 43
4.1.2 热响应试验测试................43-45
4.2 测试数据的分析...................45-49
4.2.1 基于线热源模..............45-47
4.2.2 双参数估计法................ 47-49
4.3 测试数据的分.......................49-51
4.4 影响土壤热物性测...................... 51-56
4.4.1 钻孔内回填土..............51-52
4.4.2 地埋管支管中心.................. 52-54
4.4.3 钻孔直径的..........54-56
5现场岩土热响应测试数据的数值模拟分析
5.1岩土热响应测试过程的数值仿真
由于第四章中的解析解模型未能考虑土壤的表面温度，钻孔内的流体和固体沿轴向方向的导热等一系列因素对土壤导热系数的影响，所以本章拟采用数学软件GAMBIT建立模型，采用fluent软件对地埋管换热器的传热问题加以模拟分析。建立的模型是一个与实际U型管几何情况完全相符的三维模型，而不是采用等效法。因为采用等效法简化了U型管的几何形状，也简化了管内流体的流动状况以及两支管之间的不对称传热。等效模拟计算不直接考虑管内的流动，一般只考虑圆柱坐标下径向的一维传热，最多考虑径向和轴向两维传热，如J.D.Deerman和S.P.Kavanaugh将等效后的单管看成恒热流热源，上海同济大学的周亚素则将U型管内的流动简化为从等效单管顶部流入底部流出，而受等效模型本身限制，不能充分考虑流动对传热的影响。基于以上原因本课题是在考虑实际U型管几何形状的基础上建立了模型。为了达到这个目标，并且使工作不局限于基础性的建模研究，本文应用软件FLUENT对建立的数学模型进行计算，从而得到更多的对地源热泵系统设计有意义的数据并进行分析研究。
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结论
地下埋管是土壤源热泵系统中直接与岩土进行热量交换的部件，形式是否合理，设计是否准确，直接关系到整个系统能否稳定高效运行。而准确的岩土的热物性参数是地埋管设计中不可缺少的依据。通过现场岩土热响应试验分析得到岩土的热物性参数和得到地埋管的换热性能是非常必要。关于岩土热响应试验数据的分析处理方法的研究，可以提高测试结果分析的准确性。因此，本文结合现场测试数据，首先分别通过基于三种模型的双参数估计法和基于线热源模型的斜率法对岩土的热物性参数进行了分析。然后将得到的热物性参数分别带入建立的三维空间模型中进行模拟计算，进一步开展研究。本文得到了以下结论:
(1)随着测试时间的延长，三种模型得到岩土导热系数逐渐增大，容积比热容、钻孔内的热阻则有所降低。忽略前十个小时的测试数据进行分析计算时，结果比未省略前十个小时的数据时所需的测试时间可缩短lOh左右。
(2)基于线热源模型的斜率法处理热响应测试数据的结果和基于传热模型一的双参数估计法处理数据所得的结果相同。
(3)若数据分析时回填料导热系数的取值比实际的大，则利用钻孔内二维和准三维模型计算出的钻孔内热阻均会比实际的小一些，而且利用准三维模型计算得到的热阻比利用二维模型计算所得结果更逼真。
(4)若分析数据时U型管支管间距取值比实际的大，则利用模型三分析得到的导热系数偏大，容积比热容和钻孔内的热阻偏小;利用模型一分析得到的容积比热容和钻孔内的热阻均偏小，导热系数不变;模型二的分析结果不受支管间距的影响。
参考文献（略）