段 妍 晉 華，2 劉 虎，2

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.太原理工大學(xué)水資源與環(huán)境地質(zhì)研究所，山西 太原 030024)

地源熱泵是一種能夠利用淺層低溫地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能熱泵系統(tǒng)。土壤源熱泵是地源熱泵的一種，它利用地表淺層土壤儲藏的太陽能作為冷熱源進行能量轉(zhuǎn)換。國土資源部2009年～2011年的最新評價顯示，中國淺層地溫能資源量相當于95億t標準煤，每年淺層地溫能可利用資源量相當于3.5億t標準煤。土壤源熱泵憑借其環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點，在近些年獲得國家的明確支持和大力推廣。根據(jù)《太原市國家可再生能源示范城市實施方案》2010年～2011年太原市土壤源熱泵技術(shù)應(yīng)用建筑面積從44.74萬m2增加到81.52萬m2，占示范任務(wù)的比例由17.42%上升到30.24%。由于在現(xiàn)場測試中會出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)等測試數(shù)據(jù)與實際數(shù)值偏差過大的現(xiàn)象，如美國明尼蘇達州的現(xiàn)場熱響應(yīng)測試[1]及英國一棟辦公樓夏季的管內(nèi)流體平均溫度測試[2]，使得水文地質(zhì)因素對土壤源熱泵地埋管換熱器換熱能力的影響逐漸引起研究人員的關(guān)注。本文著重介紹含水率和滲流兩個水文地質(zhì)因素對地埋管換熱器換熱能力影響的研究進展。

1 含水率對地埋管換熱能力影響的研究

土壤是由固體、液體和氣體三相共同組成的多相體，其中導(dǎo)熱系數(shù)以固體最大約為0.84 W/(m·℃)～2.5 W/(m·℃)，其次是土壤水分約為0.5 W/(m·℃)，氣體的最小僅為0.021 W/(m·℃)。因此土壤含水率的大小對其導(dǎo)熱系數(shù)起決定作用，直接影響地埋管換熱器的換熱能力。作為影響地埋管換熱器換熱性能的重要因素，不同的研究人員從實驗測試和數(shù)值模擬兩方面對土壤含水率進行了研究。其中，張玲等[3]在杭州高教園區(qū)搭建土壤源熱泵實驗臺，利用探針法測試出不同干密度的土壤導(dǎo)熱系數(shù);張旭等[4]同樣利用探針法，對純土、純砂、土砂1∶2混合物、土砂2∶1混合物四種工況進行測試;劉宇[5]建立導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置并與SEI-3型熱物性測定儀同時測量土、水、砂土8種比例混合物的熱物性。實驗測試結(jié)果均顯示土壤導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率的增大而增大。楊睿[6]采用非平衡熱力學(xué)理論，建立一維瞬態(tài)熱濕遷移模型，模擬了不同含水率對土壤溫度場的影響，結(jié)果表明含水率較高的土壤中心溫度較小，熱作用半徑隨著土壤含水率的增大而減小。

2 滲流對地埋管換熱能力影響的研究

垂直地埋管換熱器管段大部分深埋于地下水位線以下的土壤飽和區(qū)內(nèi)，在其穿透的地層中或多或少都存在著地下水滲流，尤其是在沿海或地下水豐富的地區(qū)甚至有地下水的流動[7]。目前地埋管換熱器的傳熱模型僅考慮了熱傳導(dǎo)過程，而忽視了地下水流動產(chǎn)生的對流換熱過程，導(dǎo)致埋管尺寸設(shè)計的偏差，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。因此研究地下水滲流對地埋管換熱器換熱能力的影響尤為重要，國內(nèi)學(xué)者通過實驗測試和數(shù)值模擬兩個方面對滲流影響進行了研究。

2.1 實驗測試

在室內(nèi)實驗測試研究方面具有代表性的是哈爾濱工程大學(xué)，其通過將地埋管換熱器概化為一根電加熱器模擬線熱源，在達西定律基礎(chǔ)上搭建了可以模擬地下水流動的土壤源熱泵砂箱實驗臺。其中姚楊、李斌[8，9]研究了地下水滲流速度以及相對于地埋管位置的滲流方向?qū)ν寥罍囟葓龅挠绊?，結(jié)果表明滲流速度越大地埋管周圍溫度越低;地下水滲流對上游溫度的升高起阻礙作用，阻礙作用隨熱負荷的增加而增強;地下水滲流對下游溫度的升高起促進作用，促進作用隨熱負荷的增加而增強;地埋管的中心位置受滲流的影響最小，垂直于滲流方向的溫度變化較小。范蕊等[7]分別研究了無滲流土壤、飽和土壤、有滲流土壤中地埋管換熱器熱負荷對其周邊土壤溫度場的影響，得出在夏熱冬冷地區(qū)或亞熱帶地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵時，可將地埋管換熱器埋設(shè)在地下水流速較大地區(qū)，有助于土壤源熱泵的長期良好運行。因此，地下水滲流可避免周圍的能量累積效應(yīng)，有利于提高熱泵系統(tǒng)的運行效率。此外馮琛琛等[10]也通過建立地源熱泵砂箱實驗臺進行測試，得出地下水滲流可以強化地埋管換熱的結(jié)論。另外，隨著滲流速度的增大，溫度場最高值的位置沿滲流方向向下游偏移，因此在管群布置時，應(yīng)增大下游埋管間距，以利于埋管的換熱。劉東林[11]布設(shè)U形管群進行干砂及飽和砂換熱實驗，結(jié)果顯示相同時間內(nèi)飽和砂狀態(tài)下產(chǎn)生的溫度場范圍明顯小于干砂狀態(tài)，換熱效率高于干砂，有利于地埋管換熱。

2.2 數(shù)值模擬

考慮到地下水滲流對土壤源熱泵的影響，研究人員在線源理論、柱源理論、能量守恒的基礎(chǔ)上耦合達西定律等滲流方程建立熱滲耦合的傳熱模型。梁月明等[12]以沈陽市植物園為例，通過建立數(shù)學(xué)模型計算繪制了不同滲流速度下三種風(fēng)化程度的花崗混合片麻巖地層等溫線，確定當?shù)氐叵滤疂B流對地埋管實際影響程度。范蕊等[13]采用整場離散、整體求解方法，求得冬、夏季工況下管內(nèi)流體、地埋管換熱器及周圍土壤的溫度場數(shù)值解。王金香等[14]建立了U形地埋管換熱器管內(nèi)流體以及周圍土壤熱滲耦合模型，采用Fluent軟件進行數(shù)值計算。均得出結(jié)論:滲流能夠增強地埋管換熱器的傳熱能力，選擇地下水滲流速度大的地區(qū)有助于土壤源熱泵的長期良好運行;但如果在有滲流的地區(qū)不考慮滲流的影響，則會導(dǎo)致設(shè)計容量偏大，造成經(jīng)濟和資源的浪費。

刁乃仁[15]、魏晉[16]通過建立地下水流動二維能量方程，分析了地下水滲流對地埋管換熱器周圍溫度場的影響，得出地下水滲流速度越大，土壤溫度場變形越顯著，達到穩(wěn)態(tài)的時間越短，穩(wěn)態(tài)過余溫度越低。劉東林[11]建立了單U形地埋管的物理模型，采用軟件Comsol3.5a模擬不同滲流速度下的地埋管溫度場的變形情況，表明地下水滲流速度越大，在平行滲流方向的熱量作用距離越大，在垂直于滲流方向上的熱量作用距離越小，在管群布置時可適當增加平行滲流方向的管間距。

3 存在問題及發(fā)展前景

傳統(tǒng)的土壤源熱泵地埋管換熱器傳熱模型，忽略了含水率、地下水滲流等水文地質(zhì)因素的影響，在實際應(yīng)用中存在很大的局限性。綜上所述，目前國內(nèi)學(xué)者通過實驗測試和數(shù)值模擬在含水率和滲流對換熱影響方面進行了相關(guān)的研究工作，但缺乏對水文地質(zhì)參數(shù)的綜合考慮，應(yīng)加強不同水文地質(zhì)參數(shù)與土壤熱物性關(guān)系的研究以及工程實地驗證實驗。1)目前國內(nèi)學(xué)者通過搭建土壤源熱泵實驗臺測試和建立數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬，對含水率與土壤導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系進行了大量的研究，但土壤的導(dǎo)熱系數(shù)與土壤的成分、溫度、密度、孔隙度、飽和度等因素也有關(guān)，今后可對其他參數(shù)的變化做深入研究，分析各個參數(shù)之間的關(guān)系，并分別針對飽和土和非飽和土提出基于上述參數(shù)的計算土壤導(dǎo)熱系數(shù)的新方法，為土壤源熱泵的設(shè)計提供參考依據(jù)，保證其建設(shè)的合理性。2)由于認識到地下水滲流對埋管換熱器的傳熱性能產(chǎn)生重要影響，國內(nèi)學(xué)者在模型實驗及數(shù)值模擬兩方面都做了大量研究工作，但目前還沒有公認的表達地埋管換熱器熱滲耦合傳熱過程的模型來指導(dǎo)工程實踐，且已建立的傳熱模型缺少實地驗證。今后可根據(jù)各地區(qū)實際工程，建立土壤源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)，通過對實際運行條件下監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，確定主要影響因素，以改進地埋管換熱器傳熱模型，為土壤源熱泵運行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟效益的最大化提供保障。

[1] Chiasson A D.Advances in modeling of ground-source heat pump systems[D].Oklahoma State University，1999:24-33.

[2] Witte H.J.L，Gelder A.J.V，Serr?o M.Comparison of design and operation of a commercial UK ground source heat pump project[A].1st International Conference on Sustainable Energy Technologies[C].2002.

[3] 張 玲，黃奕沄.粉沙類土壤熱物性數(shù)據(jù)的測定[J].浙江建筑，2010(2):66-68.

[4] 張 旭，高曉兵.華東地區(qū)土壤及土沙混合物導(dǎo)熱系數(shù)的實驗研究[J].暖通空調(diào)，2004，34(5):83-89.

[5] 劉 宇.土壤飽和區(qū)熱滲耦合傳熱數(shù)值計算[D].西安:西安交通大學(xué)，2010.

[6] 楊 睿.含熱源土壤熱濕遷移模擬與埋地換熱器實驗研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

[7] 范 蕊，馬最良.地下水流動對地下埋管換熱器影響的實驗研究[J].太陽能學(xué)報，2007(8):874-880.

[8] 姚 楊，李 斌.熱滲共同作用下地下?lián)Q熱器的初步實驗研究[A].2006全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會[C].2006.

[9] 李 斌.熱滲共同作用下的地下埋管換熱器實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[10] 馮琛琛，王灃浩.地下水滲流對垂直埋管換熱器換熱性能影響的實驗研究[J].制冷與空調(diào)，2011(4):328-331.

[11] 劉東林.水—熱耦合作用下地埋管換熱特性研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2011.

[12] 梁月明，程金明.地質(zhì)層含水對豎直埋管地?zé)釗Q熱器影響的研究[J].中國電力教育，2005(S2):104-107.

[13] 范 蕊，馬最良.地下水流動對地下管群換熱器傳熱的影響分析[J].太陽能學(xué)報，2006(11):1155-1162.

[14] 王金香，李素芬.地下含濕巖土熱滲耦合模型及換熱埋管周圍土壤溫度場數(shù)值模擬[J].太陽能學(xué)報，2008(7):837-841.

[15] 刁乃仁，李琴云，方肇洪.有滲流時地?zé)釗Q熱器溫度響應(yīng)的解析解[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報，2003(3):1-5.

[16] 魏 晉.地下水流動對埋地換熱器影響的模擬研究[J].中國建設(shè)動態(tài)(陽光能源)，2006(6):36-38.