金 光，張之強,2，吳 晅,2，郭少朋，田 瑞

(1. 內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.風能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

嚴寒地區(qū)地源熱泵地埋管周圍土壤凍結(jié)影響因素的實驗研究

金 光1，張之強1,2，吳 晅1,2，郭少朋1，田 瑞3

(1. 內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.風能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

為了研究影響地埋管周圍土壤凍結(jié)的因素，文章建立了模擬嚴寒地區(qū)熱失衡狀態(tài)下地源熱泵冬季運行情況的實驗裝置。實驗研究了進口流體溫度、土壤體積含水率和土壤初始溫度對地埋管周圍土壤凍結(jié)的影響。結(jié)果表明：進口流體溫度變化改善了埋管周圍的溫度場，有利于埋管換熱器換熱；隨著土壤初始溫度升高，減小了土壤物性參數(shù)的變化，增加了地埋管換熱器的換熱量；土壤體積含水率的增加，強化了周圍土壤與地埋管換熱器的換熱作用，有利于提高地埋管的出口流體溫度和取熱值。

地源熱泵；嚴寒地區(qū)；土壤凍結(jié)；土壤體積含水率

土壤源熱泵是一種利用地表淺層土壤所蘊藏的能量，既可以提供夏季建筑所需冷量又可以提供冬季建筑所需熱量的高效節(jié)能系統(tǒng)[1～2]。在我國北方地區(qū)，熱泵機組在冬季從土壤中提取的熱量多于夏季向土壤回灌的熱量，連續(xù)長期的運行會導致土壤局部冷堆積，造成土壤溫度場的失衡并出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，使系統(tǒng)的整體運行效率降低[3～5]。熱失衡現(xiàn)象嚴重時會導致土壤凍結(jié)，此時土壤會釋放出大量的相變潛熱，增加埋管周圍土壤的取熱量[6～7]。

目前國內(nèi)外學者對土壤源熱泵及其土壤熱失衡問題做了大量的研究。A Hepbasli等[8]對用于直接供熱的地源熱泵系統(tǒng)進行了熱力學分析，推導出了使用U型管地埋換熱器的能量、質(zhì)量、熵平衡方程，并用熵的形式描述了地源熱泵蓄能體的運行特征。Shang Yan等[9]基于多孔介質(zhì)理論建立了三維模型以預(yù)測土壤源熱泵系統(tǒng)運行期和恢復期的土壤溫度分布情況。H Esen等[10]對單U形式的土壤源熱泵運行中土壤溫度變化情況進行了實驗研究，結(jié)果表明：有限元法建立的物理模型可以有效測出地源熱泵周圍土壤的溫度分布情況。王華軍等[11]搭建了土壤高溫儲熱熱濕遷移過程的實驗裝置，對不同儲熱溫度和初始濕度下的土壤溫度場、濕度場及地下?lián)Q熱量等動態(tài)特征進行了實驗分析。Yang等[12]建立了兩個區(qū)域的分析模型，鉆孔內(nèi)為穩(wěn)態(tài)，鉆孔外為非穩(wěn)態(tài)，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比相對誤差小于6%，數(shù)值模擬結(jié)果表明流體出口流體溫度、鉆孔壁溫度、COP在啟動階段急劇下降，200 h后趨于穩(wěn)定。楊衛(wèi)波等[13]建立了考慮土壤凍結(jié)的地埋管周圍土壤傳熱模型，利用顯熱容法對凍結(jié)相變問題進行分析。結(jié)果顯示：土壤凍結(jié)減小了熱阻，減小熱擴散率和Stefan數(shù)可以降低土壤凍結(jié)速度。

上述文章主要采用數(shù)值模擬方法對影響土壤凍結(jié)的因素進行了研究。本文建立了模擬嚴寒地區(qū)的地源熱泵實驗裝置，使用實驗方法選取了進口流體溫度(Tin)、土壤初始溫度(Tsoil)、土壤體積含水率(θv)三個主要影響嚴寒地區(qū)地埋管周圍土壤凍結(jié)的因素進行研究；并為地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，使系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)發(fā)揮優(yōu)勢，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 實驗臺簡介

實驗裝置見圖1。主體由砂箱、滲流給水箱、恒溫水域以及溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成；其中主體砂箱由長寬高分別為1 300，1 300，1 500 mm的不銹鋼長方體組成，內(nèi)部裝滿實驗用土壤；砂箱周圍設(shè)有寬50 mm、高1 500 mm的水套，與砂箱同高。主體砂箱中心設(shè)有半徑75 mm的圓柱形回填區(qū)域，回填區(qū)域周圍使用不銹鋼鋼絲網(wǎng)纏繞；回填區(qū)中心放置有U型紫銅換熱管，其壁厚1 mm，外壁直徑為10 mm；地埋管進出口與恒溫水浴相連，向砂箱內(nèi)提供實驗所需的恒定冷熱量；其中恒溫水浴的工作溫度范圍為0～100 ℃，精度為±0.1 ℃。為了保證室溫的波動對實驗結(jié)果的影響最小化，使用厚度30 mm的保溫材料包裹主體砂箱。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental installation

在主體砂箱內(nèi)分別布置了3層溫度傳感器，深度分別為350，700，1 050 mm；由于距熱源距離越小的地方溫度變化越劇烈，溫度梯度越大，所以在近熱源的區(qū)域進行測點加密布置。每層傳感器測點到熱源的距離R依次是40，60，80，105，130，155，180，205，280，380，480，580 mm。在U型管管壁布置有溫度傳感器間隔為200 mm，如圖2所示編號從101到115；在實驗前已經(jīng)對溫度傳感器做了溫度標定處理。

圖2 溫度測點布置圖Fig.2 Layout of the temperature measuring points

采用銅—康銅(K型)熱電偶作為換熱管的進出口流體溫度測量設(shè)備，精度為±0.1 ℃；采用Agilent 34970A采集傳感器信息并使用計算機進行數(shù)據(jù)處理。

2 實驗工況

實驗裝置中所填土壤為本實驗所在地1～2 m的淺層土壤，回填區(qū)深度為1 400 mm，土壤類別為粉質(zhì)黏土，土壤體積含水率為15%，初始溫度為9 ℃，干密度為1 500 kg/m3；U型管使用紫銅制作，管間距為60 mm，為避免管內(nèi)流體冬季工況下凍結(jié)，本實驗選用乙二醇水溶液，實驗過程中設(shè)置管內(nèi)流體流量為36 L/h；濃度比為50%，冰點在-30 ℃左右，滿足實驗要求。

3 結(jié)果與分析

3.1進口流體溫度對地埋管傳熱特性的影響

本實驗研究了進口流體溫度對地埋管傳熱特性的影響，測量了R=40 mm處，Tin=-2 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃的實驗數(shù)據(jù)(圖3)并分析。

圖3 進口流體溫度對土壤溫度變化的影響Fig.3 Effect of the inlet fluid temperature on soil temperature

由圖3可以看出，各層土壤溫度均隨運行時間的增加而逐漸降低，運行前8 h，土壤溫度與管內(nèi)流體溫度之間的溫差較大，土壤體積比熱容較小，土壤溫度下降速率較快。由圖3(a)和(b)可以看出，Tin=-2 ℃時，R=40 mm處土壤并未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象；Tin=-5 ℃時，該位置土壤開始出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。由圖3(c)可以看出，Tin=-10 ℃時，埋深350，700，1 050 mm處的土壤分別在第30小時、42小時、55小時開始出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，第60小時后，三層均達到完全凍結(jié)狀態(tài)。當Tin=-15 ℃時，各層土壤均在第18小時達到完全凍結(jié)狀態(tài)，土壤的最低溫度分別為-13.6 ℃、-12.1 ℃、-11.4 ℃(圖3d)。

由以上數(shù)據(jù)分析可知，在不同的進口流體溫度下，地埋管周圍出現(xiàn)土壤凍結(jié)的區(qū)域和程度有較大區(qū)別。當Tinlt;0 ℃時，只有系統(tǒng)運行足夠長的時間，地埋管周圍土壤才會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，否則不會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

圖4 進出口溫差的絕對值Fig.4 Absolute values of the inlet and outlet temperature difference

由圖4分析可知，除了Tin=0，-2，-4 ℃時的Δt基本一致外，進口流體溫度越小，進出口溫差的絕對值就會越大。原因是進口流體溫度越低，其與土壤的溫差就越大，土壤凍結(jié)區(qū)域和程度也越大，土壤所含固相成分也增多，土壤熱物性參數(shù)朝著利于熱量傳遞的方向發(fā)展，所以地埋管換熱量也就越大，流體升溫也較大，最終導致了出口溫度的增大。Tin=0，-2，-4 ℃時的Δt基本一致的原因是，三種情況下地埋管周圍土壤都不會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，也沒有相變潛熱的產(chǎn)生，導致土壤熱物性參數(shù)基本沒有變化。

對于土壤體積含水率不為零時，當土壤溫度下降到零度以下，土壤中的液相水凍結(jié)成固相冰，此時相變發(fā)生，同時釋放能量；使得土壤的導熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)發(fā)生變化，并對土壤溫度場的分布和地埋管傳熱特性產(chǎn)生影響。土壤凍結(jié)現(xiàn)象不同程度地影響了地埋管的傳熱規(guī)律，為了明確凍結(jié)效應(yīng)對地埋管傳熱規(guī)律的影響程度，分別取Tin=-4，-6，-8，-10，-12，-14 ℃的工況進行研究，計算了考慮與不考慮土壤凍結(jié)情況下地埋管換熱器運行72 h的換熱量(圖5)。

圖5 不同入口溫度考慮和未考慮凍結(jié)換熱量Fig.5 Different inlet temperature consideration and no consideration of frozen heat exchange

從圖5可以看出，Tin=-6，-8，-10，-14 ℃時，凍結(jié)效應(yīng)引起的地埋管換熱量增幅分別為0.95%、3.17%、4.17%、9.58%。這說明隨著進口流體溫度的降低，地埋管換熱量也隨之增大，考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)和不考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的換熱量差值也增大，從而說明凍結(jié)效應(yīng)越明顯。當進口流體溫度較高時，雖然也出現(xiàn)土壤凍結(jié)，但是凍結(jié)效應(yīng)對地埋管傳熱性能的影響卻很小，可以忽略不計。結(jié)合本實驗，在考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的情況下，當換熱量增幅≥4%時，可以考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)；反之當換熱量增幅lt;4%時，可以忽略土壤凍結(jié)效應(yīng)的影響。即Tingt;-10 ℃時，可以忽略土壤凍結(jié)效應(yīng)的影響，Tin≤-10 ℃時，需要適當考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的影響。

綜上分析可得，進口流體溫度對土壤凍結(jié)有不同程度的影響，土壤凍結(jié)能適當改善埋管周圍土壤的溫度場，利于埋管換熱器換熱。土壤凍結(jié)時釋放的相變潛熱和土壤物性參數(shù)的變化，有利于溫度場的改善和埋管換熱幅度的增加。凍結(jié)效應(yīng)影響了地埋管的換熱量，但是其影響程度受進口流體溫度的影響；當進口流體溫度相對較小時，需考慮其影響。因此在設(shè)計嚴寒地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管部分，須考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的影響。在設(shè)計中可以采用減小地埋管換熱器的規(guī)模來減小初投資,主要措施包括減小鉆孔的深度以及鉆孔的數(shù)量。

3.2土壤初始溫度對地埋管傳熱特性的影響

在不同氣候區(qū)域，環(huán)境溫度不同造成土壤初始溫度差異大。在不同的初始溫度下對應(yīng)的地埋管傳熱特性也有所不同，對其周圍土壤溫度場的分布有著較明顯的影響。土壤初始溫度的不同會對嚴寒地區(qū)地埋管周圍土壤凍結(jié)區(qū)域的大小以及凍結(jié)程度造成明顯的差異。為了研究這一因素對地埋管換熱器傳熱特性的影響，當Tin=-8 ℃，Tsoil=6，8，10，12 ℃時的地埋管換熱器周圍土壤的溫度見圖6。

圖6 土壤初始溫度對出口流體溫度的影響Fig.6 Effect of initial soil temperature on outlet fluid temperature

隨著土壤初始溫度的升高，出口流體溫度也隨之升高；隨著運行時間的增加，出口流體溫度逐漸下降。第12小時，除了Tsoil=12 ℃外，其余工況下土壤初始溫度對應(yīng)的出口流體溫度均已降低至0 ℃以下。當運行72 h后，系統(tǒng)運行趨于穩(wěn)定，對應(yīng)Tsoil=12，10，8，6 ℃的出口流體溫度為-0.05，-2.1，-3.5，-5.06 ℃。從出口流體溫度分析，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，各個土壤初始溫度下均已產(chǎn)生或者開始產(chǎn)生土壤凍結(jié)現(xiàn)象。

為進一步分析土壤初始溫度對地埋管換熱器換熱量的影響，圖7給出了Tin=-8 ℃時，Tsoil=6，7，8，9，10，11，12 ℃時考慮凍結(jié)效應(yīng)與否，且持續(xù)運行72 h后地埋管換熱器的換熱總量。

從圖7可以看出，當土壤有著較高的初始溫度時，地埋管換熱量也越大，然而是否考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的換熱量差值越小。Tsoil=6，8，12 ℃時，考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的換熱量分別為3.48，3.83，4.52 kJ；不考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)的換熱量分別為3.07，3.50，4.52 kJ，換熱量增幅分別為13.09%、8.15%、0.24%。

圖7 初始溫度不同時考慮和未考慮凍結(jié)的換熱量Fig.7 Different initial temperature consideration and no consideration of frozen heat exchange

綜合上述分析可知，隨著土壤初始溫度的升高，出口流體溫度也升高，地埋管換熱量增加，但凍結(jié)效應(yīng)對換熱量的影響卻逐漸降低。因此土壤初始溫度較低的地區(qū)，地源熱泵在設(shè)計之初應(yīng)充分考慮土壤初始溫度對地源熱泵系統(tǒng)長期運行所造成的土壤凍結(jié)問題。

3.3土壤體積含水率對地埋管傳熱特性的影響

土壤體積含水率不但是影響土壤熱物性的重要因素之一，而且還決定了土壤凍結(jié)時發(fā)生相變潛熱時釋放能量的多少。無論土壤是否凍結(jié)，土壤體積含水率的增加，都會使得導熱系數(shù)和容積熱容量增大(表1)。

表1 土壤熱物性參數(shù)表

注：θv—土壤體積含水率；λι、λS—未冰結(jié)和凍結(jié)土壤導熱系數(shù)；Сt、CS—未凍結(jié)、凍結(jié)土壤體積比熱容。

為了研究土壤體積含水率對地埋管換熱器傳熱的影響規(guī)律，本實驗分別對不同θv產(chǎn)生凍結(jié)效應(yīng)時地埋管換熱器傳熱規(guī)律進行了研究。

圖8給出了Tin=-15 ℃時，不同體積含水率下土壤沿徑向的溫度分布。由圖可以看出，進口流體溫度相同時，當土壤體積含水率減小時，地埋管換熱器周圍土壤凍結(jié)區(qū)域逐漸增大，反之減小。這是因為土壤體積含水率升高，導致相應(yīng)的導熱系數(shù)和容積熱容增大，這對地埋管換熱器與周圍土壤的換熱是有利的，進而使較遠處且含有較高能量區(qū)域的熱量更容易傳向凍結(jié)區(qū)域，使得凍結(jié)區(qū)域的范圍減小。同時，容積熱容增大，單位體積土壤儲存的能量也會隨之增大，使得土壤在輸出相同的能量時，其溫度下降更為緩慢。

圖8 土壤不同體積含水率徑向溫度分布圖Fig.8 Temperature distribution of soil moisture content with different volume in radial direction

圖9給出了不同體積含水率的土壤在Tin=-6 ℃時，出口流體時平均溫度變化。從圖中分析可得，當土壤在不同體積含水率的條件下，出口流體的平均溫度隨系統(tǒng)運行時間的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；并且當時間相同時，隨著土壤體積含水率的增高，出口流體的平均溫度也隨之升高。這是因為土壤體積含水率越低，土壤的導熱系數(shù)就越小，熱量從實驗平臺蓄熱系統(tǒng)遠邊界處向地埋管處傳遞時就越困難，并且土壤體積含水率低的土壤，體積熱容小，溫度下降大，最終導致了出口流體時平均溫度較低。

圖9 土壤不同體積含水率對出口流體溫度的影響Fig.9 Effects of different soil moisture content on the outlet fluid temperature

圖10給出了不同體積含水率土壤在考慮和未考慮凍結(jié)時運行72 h的總換熱量。從圖中可以看出，無論考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)與否，土壤體積含水率的增加使得地埋管換熱器的換熱量隨之增大。當θv=5%、15%、25%、35%時，地埋管換熱器因凍結(jié)效應(yīng)引起的換熱量增幅分別為0.07%、6.46%、11.10%、12.20%。當θv﹤5%時，考慮凍結(jié)與未考慮凍結(jié)換熱量基本差別不大。分析其原因是含水量的大小是凍結(jié)時產(chǎn)生多少相變潛熱的決定性因素，因為土壤體積含水率都相對較小，于是在凍結(jié)過程中產(chǎn)生的相變潛熱量并無明顯差別，并且此時土壤凍結(jié)與未凍結(jié)之間的熱物性參數(shù)差異也不大。隨著土壤體積含水率的繼續(xù)增加，因凍結(jié)而產(chǎn)生的相變潛熱量會越來越大，當θv﹥15%時，凍結(jié)效應(yīng)引起的換熱量增幅已經(jīng)超過6%，相對較高，因此需要考慮凍結(jié)效應(yīng)對地埋管換熱器換熱量的影響。

圖10 土壤不同體積含水率是否考慮凍結(jié)的換熱量Fig.10 Different soil moisture content whether or not to consider the freezing heat transfer

綜上分析可得，不同體積含水率下土壤物性參數(shù)的巨大差異會對地埋管換熱器傳熱規(guī)律產(chǎn)生較大影響。當土壤體積含水率增大時，凍結(jié)現(xiàn)象導致了導熱系數(shù)的增大，同時使得地埋管換熱器與周圍土壤的換熱作用被強化，導致凍結(jié)效應(yīng)引起的換熱量增幅增大。所以嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計時，應(yīng)在設(shè)計前期對當?shù)氐耐寥荔w積含水率進行勘察，以確定是否考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)進口流體溫度對土壤凍結(jié)有著較大影響，土壤凍結(jié)能改善埋管周圍土壤的溫度場，利于埋管換熱器的換熱，當Tin=-14 ℃時，地埋管換熱量增幅達9.6%。凍結(jié)效應(yīng)影響地埋管換熱量的程度受進口流體溫度的影響；當進口流體溫度低時，需考慮其影響。

(2)土壤初始溫度越高，其熱物性參數(shù)變化越小，凍結(jié)區(qū)域和程度也越小；當?shù)芈窆軗Q熱器的換熱量增加，土壤凍結(jié)效應(yīng)對埋管換熱量的影響卻降低。因此，在土壤溫度較低的嚴寒地區(qū)，需要考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)。

(3)當土壤體積含水率增大時，凍結(jié)的產(chǎn)生使得導熱系數(shù)增大；導致地埋管換熱器的換熱性能增強，與周圍土壤的換熱作用被強化，有利于提高地埋管的出口流體溫度和取熱值。當θv≥15%時，需考慮土壤凍結(jié)效應(yīng)對地埋管換熱器換熱量的影響。

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責任編輯

：汪美華

Anexperimentalstudyoftheinfluencefactorsofsoilfreezingsurroundingaburiedpipeofgroundsourceheatpumpinacoldregion

JIN Guang1, ZHANG Zhiqiang1,2, WU Xuan1,2, GUO Shaopeng1, TIAN Rui3

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China; 2.KeyLaboratoryofIntegratedExploitationofBayanOboMulti-MetalResources,IMUST,Baotou,InnerMongolia014010,China; 3.KeyLaboratoryofWindEnergyandSolarEnergyUtilizationTechnology,MinistryofEducationandInnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot,InnerMongolia010051,China)

In order to examine the influence factors of frozen soil around a buried pipe, a test device of ground source heat pump is established to study the system performance under the condition of thermal imbalance in winter. The impacts of freezing soil around the buried pipe by the inlet fluid temperature, soil moisture content and initial soil temperature are examined experimentally. The results show that the temperature change in the inlet fluid can improve the temperature field and heat exchanger around the buried pipe. With the increasing initial soil temperature, the soil physical parameters reduce and the heat transfer capacity increases. The increase in the soil moisture content can strengthen the heat transfer between the surrounding soil and the buried pipe, which improves the outlet fluid temperature of the buried tube and heat value.

ground-source heat pump; cold regions; soil freezing; soil moisture content

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.24

P314.3;S152.8

A

1000-3665(2017)06-0163-06

2017-01-09;

2017-03-16

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金資助項目(2014MS0530，2015MS0561，2016BS0512)

金光(1970-)，女，博士，教授，從事可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)及工業(yè)熱過程研究。E-mail: charles_zhang90@163.com