0 引言

嚴寒地區(qū)冬季建筑熱負荷大、室外及土壤初始溫度均很低[1]，地埋管地源熱泵系統(tǒng)連年運行導致地埋管換熱器(GHE)周圍土壤出現(xiàn)的冷堆積問題日益加重，甚至可能導致地埋管側土壤大范圍凍結[2]。因此，探究土壤凍結作用下地埋管換熱器的傳熱機理具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者對地埋管換熱器與土壤間換熱的影響因素進行了大量研究。Shang等人利用多孔介質理論建立了地埋管換熱器與土壤傳熱后的土壤溫變?nèi)S模型，通過數(shù)值模擬的方法模擬了二者換熱后的土壤溫度變化[3]。Jahangir等人綜合考慮了土壤體積含水量、溫度梯度和氣壓變化等因素，建立了非飽和土壤中熱濕氣耦合的新數(shù)學模型用于研究地埋管換熱器的換熱性能[4]。Wang等人建立了一種可預測不同溫度下土壤導熱系數(shù)的數(shù)值模型，并用于分析GHE的換熱性能[5]。Jahanbin提出一種帶有橢圓U形管的GHE，建立了三維模型并引入量綱一形狀因子γ評價其換熱性能[6]。Meng等人采用數(shù)值建模的方法研究了地下水滲流對土壤凍結特性的影響[7]。霍偉業(yè)等人采用控制變量法分析了GHE入口流體溫度對土壤凍結程度的影響[8]。Zhang等人建立了地源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)模擬平臺，分析了埋管間距對土壤凍結時間的影響[9]。Li等人對鉆孔內(nèi)回填材料進行了分析，得出回填材料選用石墨混合物較單一砂石更有助于GHE換熱[10]。張之強等人對GHE低溫取熱工況中土壤凍結鋒面的平均移動速度進行了研究，最高移動速度可達1.82 mm/h[11]。

綜上所述，相關學者的研究大部分是基于數(shù)值模擬的方法分析GHE的換熱性能，而對土壤凍結作用下GHE換熱機理的研究較少。鑒于此，本文基于相似理論搭建了地埋管換熱器低溫取熱工況實驗臺，對不同土壤初始含水量、孔隙率對埋管側土壤凍結范圍、埋管自身換熱性能及熱泵機組COP的影響進行研究。本文研究結果可為探究土壤凍結作用下地埋管換熱器傳熱機理及嚴寒地區(qū)地埋管地源熱泵技術的推廣提供參考。

1 實驗系統(tǒng)簡介

1.1 實驗臺介紹

低溫工況實驗臺原理圖見圖1。該實驗臺主要由土壤溫度控制系統(tǒng)、土壤含水量控制系統(tǒng)、地埋管換熱系統(tǒng)、熱泵機組供能系統(tǒng)、土壤溫濕度測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗裝置主要由地埋管換熱器、熱泵機組、控溫水箱、砂箱、熱電偶、水泵、壓力表、流量計、數(shù)據(jù)采集儀等組成。其中沙箱由一長1 500 mm、寬1 500 mm、高2 000 mm的不銹鋼桶制成，桶壁附著厚度為30 mm的橡塑棉保溫層，用來減少室溫波動對土壤溫度的影響。

圖1 地埋管低溫取熱工況實驗臺原理圖

具體實驗流程為：

1) 分多次多區(qū)域進行土壤取樣，采用浸蠟法測量樣品孔隙率，按實驗要求選取合適的土壤樣品；

2) 裝填土壤試樣，利用千斤頂壓實土壤并安裝測量儀器；

3) 對土壤試樣含水量及溫度進行標定；

4) 打開循環(huán)水泵，進行地埋管換熱器低溫工況換熱實驗；

5) 數(shù)據(jù)采集及處理，數(shù)據(jù)采集頻率為每隔30 min 1次，每6 h讀取1次數(shù)據(jù)采集器內(nèi)的數(shù)據(jù)并檢查傳感器狀態(tài)是否異常，計算后續(xù)研究所需的參數(shù)并備份；

6) 重復4)、5)，直至實驗涉及到的全部工況均完成，整理數(shù)據(jù)并進行分析。

本文主要討論土壤凍結作用下地埋管換熱器的傳熱機理，由于土壤凍結是土壤中水分在0 ℃下相變引起的，因此文中著重對土壤含水量進行分析。在嚴寒地區(qū)的惡劣氣象條件影響下，文獻[12]指出黑龍江近50 a的土壤凍結平均深度為1 743 mm，凍土層厚度可達2 089 mm處，因此本次實驗將砂箱內(nèi)填滿從哈爾濱松北區(qū)松花江附近提取的地下1～2 m深淺層土壤，土壤類別為黏土；通常豎直單U型地埋管換熱器埋深為100 m，這樣的埋深遠大于自然條件影響下的凍土層厚度，由此可見，埋管側周圍土壤的凍結現(xiàn)象很大程度上來自于埋管內(nèi)流體溫度的影響[13]。已有學者在與本文研究背景相同的情況下研究發(fā)現(xiàn)：在埋管進口溫度為-8 ℃的工況下，埋管側周圍土壤可在24 h內(nèi)由未凍結狀態(tài)發(fā)展為完全凍結狀態(tài)；在埋管進口溫度為-2 ℃的工況下，埋管側周圍土壤不會發(fā)生凍結現(xiàn)象[13]。為此，在實驗過程中，筆者以埋管進口溫度為-8 ℃控制土壤漸凍過程，進而分析土壤凍結過程中含水量對地埋管換熱器換熱的影響。本文對土壤含水量分別為0%、10%、20%、30%、40%，初始溫度為8.6 ℃，干密度為1 600 kg/m3的土壤樣品進行分析討論；沙箱內(nèi)埋管材質為紫銅，導熱系數(shù)為386.4 W/(m·K)，管內(nèi)循環(huán)流體選取防凍效果較好且滿足實驗要求的質量分數(shù)為30%的乙二醇水溶液，體積流量為0.036 m3/h。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理方法

1.2.1實驗數(shù)據(jù)采集

土壤溫度和含水量采用ECH2O系列5TE傳感器進行測量，該傳感器可測量土壤溫度(土壤溫度范圍：-40～60 ℃；分辨率：0.1 ℃；準確度：±1 ℃)、介電常數(shù)(表觀介電常數(shù)εa范圍：1(空氣)～80(水)；分辨率：0.1εa(εa=1～20)，<0.75εa(εa=20～80)；準確度：±1(εa=1～40)，±15%(εa=40～80))、體積含水量(分辨率：0.1%；準確度：±3%)。盡管利用介電常數(shù)通過Topp公式[14]計算土壤含水量有溫度要求，但通過對ECH2O系列傳感器進行標定仍可準確測出土壤溫度和含水量[15]。采用浸蠟法測量土壤孔隙率，從地下取出適量土壤樣品帶回實驗室，浸入石蠟后迅速取出再放入盛滿適量水的量筒中，同時記下此時量筒的讀數(shù)，隨后用玻璃棒充分攪拌，記下攪拌后的量筒讀數(shù)，由此計算出樣品孔隙率。在分析孔隙率對換熱器換熱的影響時，分多次多區(qū)域進行土壤取樣，最終選取孔隙率分別為0.16、0.38、0.47的土壤樣品進行研究。數(shù)據(jù)采集器采用Em50數(shù)據(jù)采集器，每5個5TE傳感器連接1個Em50數(shù)據(jù)采集器。在砂箱內(nèi)沿埋管內(nèi)循環(huán)流體來流方向距土壤表面350、700、1 200 mm處布置3層傳感器。因地埋管換熱器與土壤間換熱程度在近壁側較劇烈，土壤溫度梯度較大，進而在換熱器附近進行測點加密布置，每層傳感器布置在距鉆孔中心60、90、120、170、240、340、470、600 mm處，另在埋管進出口處布置同樣的溫度傳感器。測點布置如圖2所示。砂箱頂、底部布置加熱盤管用于保證實驗要求的土壤初始溫度；砂箱內(nèi)部布置蛇形帶孔盤管，用于保證實驗要求的土壤含水量。

圖2 砂箱內(nèi)傳感器測點布置圖(單位：mm)

1.2.2數(shù)據(jù)處理方法

1.2.2.1地埋管換熱量

地埋管換熱量的計算式為

Q1=cρM(T1-T2)

(1)

式中Q1為換熱器換熱量，W；c為管內(nèi)循環(huán)流體比熱容，J/(kg·K)；ρ為管內(nèi)循環(huán)流體密度，kg/m3；M為管內(nèi)流體體積流量，m3/s；T1為換熱器出口溫度，K；T2為換熱器進口溫度，K。

1.2.2.2熱泵機組COP

機組COP的計算式為

(2)

式中Q2為熱泵機組制熱量，W；W為機組內(nèi)壓縮機功耗，W。

1.3 實驗工況標定

在進行土壤凍融作用下地埋管換熱器傳熱機理研究前，需對實驗工況進行標定，確保實驗裝置各處參數(shù)條件與實驗要求一致。為了滿足本文提出的5種土壤含水量要求，在砂箱內(nèi)分別對5種土壤含水量工況進行實驗標定，并對數(shù)據(jù)采集器收集到的數(shù)據(jù)進行分析，研究結果表明，各層土壤含水量沿垂直埋管方向(下文簡稱徑向)的分布較均勻一致。隨后，在標定土壤含水量后的砂箱內(nèi)對土壤溫度進行實驗標定，圖3顯示了砂箱內(nèi)沿徑向土壤平均溫度的分布。在此說明一點，在標定土壤溫度時同樣分別針對5種含水量工況進行實驗標定。為避免圖中曲線繁多，圖3中只列舉了土壤含水量為20%、土壤初始溫度為8.6 ℃時的實驗標定結果。從圖3可以看出，按本文提出的實驗工況要求對砂箱內(nèi)土壤溫度及含水量進行處理，經(jīng)過24 h靜置后，土壤溫度沿埋管方向及徑向均達到了穩(wěn)定。

圖3 實驗工況下土壤平均溫度沿徑向的分布

2 數(shù)據(jù)分析及討論

2.1 土壤凍結過程中含水量對換熱器傳熱特性的影響

2.1.1土壤溫度分布

圖4顯示了不同初始含水量下以鉆孔中心為起點沿徑向土壤溫度的分布。由圖4可以看出：隨著土壤含水量的增大，土壤溫度升高；5種含水量條件下的土壤凍結區(qū)域有明顯差異。土壤含水量為0時，其凍結區(qū)域可外延至距鉆孔中心170 mm處；當土壤含水量為20%時，其凍結區(qū)域可外延至距鉆孔中心120 mm處；而當土壤含水量增大到40%時，其凍結區(qū)域僅外延至距鉆孔中心60 mm處，也就是凍結的土壤僅包圍著鉆孔處很小的范圍。這是由于水的比熱容較大，相同條件下儲存熱量的能力是土壤的近2倍，而土壤處于凍結過程中時，因低溫抽吸力的作用使水分由溫度較高處向較低處遷移。由克拉佩龍方程[16]得知，這種低溫抽吸力在凍結面處恒定不變，而水分在遷移中攜帶大量熱量，并在遷移過程中發(fā)生相變而釋放出大量的相變潛熱。在水分遷移中攜帶的熱量與相變潛熱共同作用下，近換熱器側的土壤因與換熱器換熱而流失的熱量得到了一定程度的彌補，進而隨著土壤含水量的增大其凍結區(qū)域顯著縮小。從圖4還可以看出，5種土壤初始含水量下的土壤溫度在距鉆孔中心340 mm后各自趨于穩(wěn)定，從這一現(xiàn)象上看，換熱器與土壤的換熱影響范圍也是有限度的。

圖4 不同含水量下土壤溫度徑向分布

2.1.2換熱器出口溫度

圖5顯示了不同初始含水量下地埋管換熱器出口溫度隨時間的變化。由圖5可以看出：隨著時間的推移，土壤初始含水量越大，埋管出口溫度越高；當?shù)芈窆軗Q熱器低溫取熱工況達到穩(wěn)定后，土壤初始含水量由0增大到40%時，換熱器出口溫度依次提升為2.15、1.00、0.50、0.30 ℃。這是由于土壤初始含水量較小時，土壤導熱系數(shù)小[17]，單位體積熱容小，放出相同熱量引起的自身溫降幅度大，凍結范圍變大，土壤遠處熱量很難傳遞到埋管側，致使與埋管內(nèi)循環(huán)流體進行換熱的土壤溫度降低，換熱效果變差。盡管土壤凍結后的導熱系數(shù)較凍結前小，但因土壤導熱系數(shù)增大引起的熱量遷移小于土壤含水量較高情況，土壤中水分由于低溫抽吸力作用而攜帶大量熱量向埋管側遷移并釋放相變潛熱帶來的熱量。從圖5還可以看出，無論土壤中含水量為何值，地埋管換熱器低溫取熱工況在48 h后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同時，土壤含水量升高引起的換熱器出口溫度的提升現(xiàn)象并不是無止境的。

圖5 不同含水量下地埋管換熱器出口溫度隨時間的變化

2.2 土壤凍結過程中孔隙率對換熱器傳熱特性的影響

圖6顯示了不同含水量下土壤孔隙率對換熱器換熱量的影響。從圖6可以看出：相同土壤初始含水量條件下，土壤孔隙率越大，換熱器換熱量越大；當土壤初始含水量由0增大到10%時，0.16、0.38、0.47 3種孔隙率下，對應的換熱器總換熱量分別提升了52.9%、61.1%、57.9%；含水量由10%增大到20%時，換熱器總換熱量分別提升了15.4%、17.2%、16.7%；含水量由20%增大到30%時，換熱器總換熱量分別提升了13.3%、14.7%、14.3%；含水量由30%增大到40%時，換熱器總換熱量分別提升了4.7%、6.4%、5.0%。由此可以看出，在同一地埋管換熱器低溫取熱工況下，土壤孔隙率對換熱器總換熱量有一定程度的影響，這種影響受土壤含水量的制約。當土壤含水量較低、孔隙率及自身導熱系數(shù)較小時，由于溫差導致的水分遷移程度受到抑制。相反，當土壤孔隙率較大時，土壤滲透系數(shù)變大，水分遷移過程受到的阻力相對減小，促使遠處土壤的熱量向埋管側土壤傳遞，進而提高了埋管側土壤溫度，最終導致?lián)Q熱器換熱量提升。但土壤孔隙率較大對換熱器與土壤間換熱程度的提升有限，相同土壤含水量下，土壤孔隙率由0.38增大到0.47時的換熱器總換熱量提升幅度明顯降低。

圖6 不同含水量下土壤孔隙率對換熱量的影響

2.3 土壤凍結對機組運行性能的影響

圖7顯示了不同含水量下土壤孔隙率對熱泵機組COP的影響。由圖7可以看出：相同土壤含水量條件下，隨著土壤初始孔隙率的增大，熱泵機組COP提高；當土壤初始含水量由0增大到10%時，0.16、0.38、0.47 3種土壤初始孔隙率下對應的機組COP分別提高了6.5%、10.0%、11.5%；含水量由10%增大到20%時，機組COP分別提高了10.2%、7.6%、6.9%；含水量由20%增大到30%時，機組COP分別提高了7.4%、3.0%、1.6%；含水量由30%增大到40%時，機組COP分別提高了3.1%、1.6%、1.3%。由此可以看出，敷設換熱器處的土壤初始孔隙率對機組COP有一定程度的影響。與此同時，土壤含水量的作用同樣不可忽視，尤其是土壤初始含水量為10%～30%時最為明顯。因此，在地下水較豐富地區(qū)，地埋管地源熱泵用地埋管換熱器在低溫工況下運行也能得到較好的供能性能。

圖7 不同含水量下土壤孔隙率對熱泵機組COP的影響

3 結論

1) 在地埋管換熱器低溫取熱工況下，土壤含水量較低時，地埋管換熱器側土壤凍結范圍較大，土壤初始含水量為0～40%時，隨著含水量的增大，埋管側土壤凍結區(qū)域減小且換熱器出口溫度升高，而換熱器與土壤間的傳熱影響范圍及對換熱器出口溫度的提升是有限度的。

2) 在地埋管換熱器低溫取熱工況下且土壤含水量在0～40%范圍內(nèi)，考慮到土壤初始孔隙率的影響，孔隙率由0.16增大到0.38時，換熱器總換熱量最高可提升16.6%；孔隙率由0.38增大到0.47時，總換熱量最高可提升5.6%。埋管側土壤含水量由0增大到10%時，孔隙率對提升土壤與埋管間換熱量的影響最大；含水量由30%增大到40%時，孔隙率對提升二者換熱量的影響程度最小。因此，土壤初始孔隙率對低溫工況取熱影響是有限的。

3) 嚴寒地區(qū)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)對建筑進行供暖時(即換熱器低溫工況運行時)，會導致埋管側土壤溫度下降且降幅明顯。因此，在嚴寒地區(qū)采用該項節(jié)能技術時，需引入其他可再生能源輔助其供暖，以抑制地埋管長時間對土壤取熱引起的地下土壤溫降趨勢的發(fā)展。