基于地源热泵的岩土热物性不确定性问题研究

岩土的导热系数、比热容等热物性参数是设计地源热泵土壤换热器数量的关键参数，其可靠的现场原位测试方法对地源热泵应用非常重要。针对基于地源热泵的岩土热物性由于受变热流、地下水等多种因素影响而具有复杂不确定性，目前测试却基于确定性方法的局限，提出新的岩土热物性测试不确定性方法。研究基于地源热泵的岩土热物性参数的不确定性特征，建立三维瞬态传热模型及非定常多变量反演模型，建立准实际工况岩土热物性测试系统；提出随机方法与反演结合进行分析的热物性参数辨识方法。研究并揭示地下水渗流等不确定性因素对热物性及其测试的影响机理。在现有研究基础上，拓展与深化对岩土热物性不确定性因素的认识，实现岩土热物性研究方法由确定性向不确定性转变、热物性结果由单一确定解向区间与概率分布转变。为解决长期困扰的岩土热物性测试结果可靠性问题提供新途径，为地源热泵空调系统设计提供科学依据与技术支撑。

岩土的导热系数、比热容等热物性参数是设计地源热泵土壤换热器数量的关键参数，其可靠的现场测试方法对地源热泵应用非常重要。本项目提出了新的岩土热物性测试不确定性方法。分析了岩土热物性参数的不确定性特征，建立了改进的复合线热源模型、复合圆柱源模型及三维瞬态传热模型，提出了可处理不稳定功率或断电情形下热物性测试的新方法。研发了新型岩土热物性测试仪，建立了实验系统；研究了不确定条件下的热物性参数概率分布。揭示了地下水、测试功率等不确定性因素对热物性及其测试的影响机理。提出了地源热泵系统逆向建模方法—度日数G函数法, 该方法只需要少量的实测参数，适用于对住宅建筑的地源热泵空调系统的逆向分析。建立了地源热泵地埋管换热器多极理论模型，可分析求解复杂形状与边界的温度。研究发现：地源热泵埋管换热器向地下的排热可降低钻孔壁附近土壤的水分含量。土壤初始水分含量较低时，湿传递对土壤热物性影响较大。测试功率对热物性结果有小幅影响。提高回填材料和土壤的导热系数、提高地下水流速均可提高地埋管换热器能效。本项目成果拓展与深化了对岩土热物性不确定性因素的认识，为解决长期困扰的岩土热物性测试结果可靠性问题提供了新途径。