基于面热源的岩体热物性测试方法研究

摘要

随着地铁隧道热堆积问题逐渐显现，为缓解此问题，地铁废热源热泵系统作为地源热泵系统的一种新的研究方向被专家提出来。利用地铁废热源热泵系统可以将地下空间内产生的热量吸收并在冬季用于地上建筑供暖，地下空间的壁面通常为平面或近似平面，相比传统的垂直埋管换热器，若采用平面式换热器沿地下空间的壁面敷设，其换热效果更好，施工更方便。地下空间周围岩体的热物性在很大程度上影响着平面式换热器的设计，而现有的基于线热源和柱热源的岩体热物性测试方法并不适用于平面式换热器，为保证在设计平面式换热器时能够充分利用废热源和节约成本，需要准确获得实际工程所在地的岩体热物性参数。 本课题主要研究一种基于面热源的岩体热物性测试方法，通过此方法得出准确的热物性参数，以期为工程实践提供设计依据。首先，通过简化传热模型建立面热源与岩体换热的一维非稳态传热模型；其次，搭建现场热物性测试实验台，根据实验测试方法进行测试；然后，对不同工况测试得出的数据进行处理和分析，进而求出平面式换热器中间处热流密度，并利用数值解法求出岩体综合导热系数和验证传热模型；最后，采用反演计算法得出岩体的热物性参数，并与实际的热物性参数作对比，验证岩体热物性测试方法。 基于上述内容进行研究后得出的测试方法为： ⑴选取 1m×2m 平面式换热器，将其敷设在比较平滑的岩体壁面处，并覆盖一层保温棉隔绝与空气之间的对流换热； ⑵选取不同加热功率进行测试，每次测试时长不少于 4h，建议时间充足的情况下，在温度达到稳定后再测试3至4h左右； ⑶当进行下一组加热工况时，不需要再次进行降温，根据平面式换热器的可移动性特点，可以将其拆卸下来，敷设到其它地方，保证不受到第一组工况测试地点的温度影响； ⑷采用1×2m平面式换热器时中心部位换热量相对整体占比15%，然后根据实验计算得出的总换热量求出中心部位换热量，进而求出中心部位单位面积热流密度； ⑸当所测岩体未进行一衬支护时，则选用实际热物性参数值；当进行一衬支护后，采用数值解法计算出当温度达到稳定时热量传输的距离，从而得到岩体与喷射材料的综合导热系数，其中一衬厚度根据实际取值； ⑹采用反演计算法，将传热模型得出的解析解与实测平均温度作对比，进而得出热物性参数最优值； ⑺选取中心部位九处测点，通过标尺估算平面式换热器与壁面之间存在的空隙厚度，对九处测点求平均值，然后求出接触热阻。 本研究能够准确获得现场岩体的热物性参数，为合理设计和应用地铁废热源热泵系统提供了参考依据。

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