水文地质条件对土壤源热泵系统热交换能效的影响机理研究

This project is devoted to evaluate the impact of the soil thermal properties to the heat exchange process of the ground source heat pump(GSHP) systems by investigating the soils thermal properties under different geological and hydrological conditons. The soil particle identification test, the soils thermal properties tests at steady state under different water contents, and the soils thermal properties tests at transient state under different confining pressures, will be performed, to obtain the correlation between the soil thermal properties and their states parameters, and to establish a particle-porosity-water coupling model of soil thermal properties. Based on this soil thermal properties model, a new finite elements numerical analysis model of GSHP systems will be proposed to investigate the heat exchange process at the sart-up period and the stabilization of energetical efficiency in the long term.

本项目以土体热学性质对土壤源热泵热交换过程的影响为研究核心，从土壤组成角度揭示土体热学性质随不同地质、水文条件变化的机理。采用土壤颗粒物性试验，不同含水率下稳态热学性质测定试验以及不同围压下瞬态热学性质测定试验，获得土体颗粒组成、水饱和度以及孔隙率对土壤热学性质参数的影响规律，建立考虑大粒径颗粒的土壤热学性质颗粒-孔隙-水多相理论模型。在土壤热学性质模型基础上，提出考虑土体力学性质变化的地埋管热交换器传热数值分析方法，研究土壤源热泵系统运行初期的换热过程以及长期换热能效的稳定性。

地源热泵系统是利用浅层常温土壤相对稳定的特性，通过埋入建筑物周围的地耦管与建筑物内部在不同季节实现冷热交换的装置，具有适用范围广、运行费用低、节能和环保效益显著等优点，是一种获得广泛应用的建筑节能新技术。因此，从土壤组成出发，以工程实际土壤为研究对象，分析地应力、水饱和度等因素对土壤热学性质影响的不同机理，建立包括大粒径颗粒在内的土壤热学性质颗粒-孔隙-水多相模型是当前的重要课题之一。本项目以粘土、砂土及砾石解决研究了砂石混合体在不同条件下对其导热性能的变化规律；研制了砂石混合料导热系数试验系统、考虑土体卸荷的土体三轴仪压缩试验系统；针对U型热交换器，建立考虑回填土和周围土体热学性质参数线热源热交换模型；从土壤微观孔隙结构的角度，将分形理论与宏观重塑土的导热系数相结合，从孔隙分布特性阐释重塑土导热系数变化机理。本项目的研究成果可为我国土壤源热泵的设计、施工以及换热能效分析提供重要的科学依据和技术支持。