周 琢，王 勇，彭遠(yuǎn)玲，劉慶功，彭清元,，曹 聰，周庭正

（1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045； 2. 重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 401121； 3. 中國(guó)三峽建工（集團(tuán)）有限公司 重慶南岸區(qū)廣陽(yáng)島公司，重慶 400060）

在當(dāng)今能源緊缺的背景下，地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉丛诙囝I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中地源熱泵系統(tǒng)由于節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì)得以大面積推廣。地埋管換熱器作為地源熱泵的重要熱交換裝置，換熱效率直接關(guān)系到地源熱泵能否高效運(yùn)行。但地埋管換熱器會(huì)隨熱泵機(jī)組持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致周?chē)鷰r土初始溫度上升或下降，顯著降低地源熱泵的運(yùn)行效率。原位固有地質(zhì)條件難以改變，但處于地埋管換熱器和周?chē)寥乐虚g的回填材料性能可以控制。回填材料作為地埋管內(nèi)流體和周?chē)寥赖膿Q熱媒介，其熱物參數(shù)對(duì)地源熱泵的效率有顯著的影響[1]。楊衛(wèi)波等[2]提出采用相變材料(phase change material, PCM)作為回填物的一部分。利用PCM 相變過(guò)程中吸收或者釋放潛熱而自身溫度變化較小的特性，來(lái)緩解短時(shí)間內(nèi)地埋管換熱器對(duì)周?chē)h(huán)境溫度的影響，保證地源熱泵機(jī)組持續(xù)高效運(yùn)行。吳越超[3]通過(guò)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)了相變材料回填使地源熱泵單井供冷(熱)量提高了62.4%，提出了相變材料作為地埋管回填材料的實(shí)際可行性。Yang 等[4]通過(guò)建立垂直U 型埋管試驗(yàn)臺(tái)，分別利用癸酸-月桂酸和油酸作為夏季和冬季的回填材料，發(fā)現(xiàn)冬夏兩季運(yùn)行工況下整體熱作用半徑減小15%。王暢等[5]利用數(shù)值模擬的方法，研究了夏季間歇運(yùn)行工況下相變材料相變溫度對(duì)回填地埋管換熱器傳熱性能的影響，結(jié)果表明夏季長(zhǎng)期間歇運(yùn)行情況下，較高相變溫度PCM 回填對(duì)換熱器換熱量的提升效果優(yōu)于低相變溫度。李啟宇[6]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)比了相變材料回填和普通回填材料的傳熱特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相變材料低熱導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致單位井深換熱量減小，但可以減少一定土地使用面積。

現(xiàn)有研究的地埋管回填材料主要為純相變材料。一方面，PCM 導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于普通回填材料，不利于地埋管換熱；另一方面，PCM 相變?nèi)刍菀自斐尚孤廴经h(huán)境?；谝陨蠁?wèn)題，Li 等[7]制備了石墨吸附下的定形相變材料(shape-stabilize phase change material, SSPCM)，研究了這種材料和碎石混凝土2 種材料回填下的U 形管換熱器的傳熱性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SSPCM 回填換熱量是碎石混凝土的1.223 倍，熱影響半徑是碎石混凝土的0.9 倍。Zhao 等[8]制備了石墨吸附下的SSPCM，利用數(shù)值模擬方法，研究了SSPCM 和普通膨潤(rùn)土體積混合比例以及間歇運(yùn)行下地埋管換熱器的換熱效果，研究發(fā)現(xiàn)，為保證SSPCM 能夠良好恢復(fù)，應(yīng)利用較高的啟停比用于較低的SSPCM 體積比例，將較低的啟停比用于較高的SSPCM 體積比例。Bottarelli 等[9]用等效熱容法研究了水平埋管回填材料中添加PCM 的傳熱特性，結(jié)果表明，PCM 對(duì)于緩和換熱器熱影響半徑效果明顯。

上述方法多集中在研究純PCM 作為回填材料或者以數(shù)值模擬的方法研究SSPCM 回填下的換熱效果。針對(duì)SSPCM 增強(qiáng)換熱和緩解溫度波動(dòng)兩方面的實(shí)際效果，尚需要開(kāi)展大量工作。文中采用搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的方法，研究SSPCM 混合回填情況下的換熱特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖和系統(tǒng)原理，如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成：地下埋管實(shí)驗(yàn)沙箱，發(fā)熱管調(diào)壓模塊，數(shù)據(jù)采集模塊。其中，實(shí)驗(yàn)沙箱用20 mm 厚度的木板制成，整體實(shí)驗(yàn)?zāi)鞠淇v向截面400 mm×400 mm，長(zhǎng)度為600 mm，內(nèi)部回填區(qū)域截面尺寸為120 mm×120 mm。沿實(shí)驗(yàn)?zāi)鞠錂M向放置一直徑為10 mm，長(zhǎng)度為600 mm的圓柱形石英電加熱管，代替地埋管作為換熱熱源。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖和系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Experimental system diagram and system principle diagram

為避免環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)造成較大影響，木箱6 個(gè)面均用70 mm 厚橡塑隔熱材料進(jìn)行保溫從而模擬恒定原邊界。在實(shí)驗(yàn)沙箱300 mm 中間截面處，沿發(fā)熱棒徑向共布置6 個(gè)T 型銅-康銅熱電偶(測(cè)量精度±0.5 ℃)測(cè)點(diǎn)，實(shí)際分布和示意如圖2 所示，其中，1#～3#布置在內(nèi)部回填材料區(qū)域，4#～6#布置在回填區(qū)域外側(cè)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊電壓大小來(lái)調(diào)整電加熱管功率，可模擬不同負(fù)荷情況下的地埋管換熱情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用安捷倫34901A 巡檢儀配合一體式計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集工作。

圖2 測(cè)點(diǎn)實(shí)際分布圖及示意圖Fig. 2 Actual distribution and schematic diagram of thermocouple

1.2 材料選取與制備

1.2.1 材料選取

相變材料由于其結(jié)構(gòu)和組成不同，會(huì)表現(xiàn)出不同的物化性質(zhì)，在不同場(chǎng)合需要針對(duì)使用場(chǎng)景選取不同的相變材料。在以地埋管換熱器換熱效果作為優(yōu)先考慮目標(biāo)時(shí)，相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，相變潛熱和比熱容大小是影響最大的3 個(gè)指標(biāo)。理想情況下，選取的相變材料應(yīng)有較合適的相變溫度，較大的比熱容和相變潛熱。但實(shí)際情況下，很難同時(shí)滿(mǎn)足這些條件，只能考慮在合適相變溫度下選取比熱容和潛熱盡可能大的材料。

重慶地區(qū)地下100 m 年平均溫度為19.6 ℃[10]，在此條件下，重慶夏季運(yùn)行時(shí)可作為回填材料的PCM 相變溫度在20～30 ℃的范圍內(nèi)?；诖藯l件，實(shí)驗(yàn)選取夏季相變材料為文獻(xiàn)[11]所使用到的石蠟，該種材料相變溫度為22 ℃，符合重慶地區(qū)實(shí)際運(yùn)行的溫度范圍，同時(shí)，該材料相變潛熱和比熱容較大，分別為200 kJ/kg 和2 400 J/kg。

1.2.2 材料制備過(guò)程

由于石蠟為固液相變過(guò)程，融化后會(huì)滲入周?chē)鷰r土層，污染周?chē)寥拉h(huán)境，可利用膨脹石墨多孔隙結(jié)構(gòu)特性，吸附石蠟定形，避免環(huán)境污染。同時(shí)，膨脹石墨吸附也可有效提升回填材料導(dǎo)熱系數(shù)，提高地埋管換熱效果。實(shí)驗(yàn)所用石墨膨脹后80 目，膨脹率200～300，純度99%，制備定形相變材料過(guò)程中所用的儀器設(shè)備如表1 所示。

表1 制備SSPCM 所用儀器設(shè)備Table 1 Equipment used for preparing SSPCM

實(shí)驗(yàn)采用的SSPCM 制備方法為真空浸漬法，制備步驟參考文獻(xiàn)[12]進(jìn)行，具體操作為：1)稱(chēng)取一定質(zhì)量的膨脹石墨(EG)放入1 000 mL/2 000 mL 燒杯中，燒杯作出標(biāo)記并放置進(jìn)真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理，設(shè)定真空干燥箱為130 ℃，持續(xù)12 h，使膨脹石墨完全干燥膨脹成可吸附狀態(tài)；2)將一定質(zhì)量的石蠟放入2 000 mL燒杯中，再將燒杯放置入恒溫水箱融化，水箱設(shè)定溫度為50 ℃，待石蠟完全融化后，按照石蠟和膨脹石墨為100:10 的質(zhì)量比例將石蠟加入裝有膨脹石墨的燒杯中，并用玻璃棒進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁沟檬炄芤汉团蛎浭軌蛲耆旌希?)將混合完畢的石蠟和膨脹石墨放置進(jìn)真空干燥箱中，設(shè)定溫度為50 ℃，抽取真空度為0.08 MPa，在此環(huán)境下進(jìn)行真空吸附，其中,每隔2 h 取出攪拌5 min，此過(guò)程共持續(xù)8 h，取出即可得到石蠟和膨脹石墨質(zhì)量比例為100:10 的SSPCM。

制備出材料樣本，如圖3 所示。制備之后的定形相變材料DSC 測(cè)試結(jié)果，如圖4 所示?？梢钥闯?，PCM在熔化和凝固2 個(gè)過(guò)程中的相變區(qū)間有所不同，升溫時(shí)相變范圍約為20～24 ℃，降溫時(shí)相變溫度范圍約為16～20 ℃。

圖3 定形相變材料樣本圖Fig. 3 Sample diagram of SSPCM

圖4 定形相變材料DSC 測(cè)試圖Fig. 4 DSC curves of SSPCM

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)分為混合回填和普通回填2 種情況。普通回填時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)沙箱均充滿(mǎn)實(shí)驗(yàn)用回填沙；混合回填時(shí)，以發(fā)熱棒為中心，布置截面大小為120 mm×120 mm 的回填材料。Zhao[8]研究過(guò)程中，采用的定形相變材料體積比例，考慮實(shí)際工程中采用質(zhì)量比例更為直觀，文中采用質(zhì)量比例材料回填標(biāo)準(zhǔn)，體積比例范圍為30%～70%，該結(jié)果為CFD 計(jì)算結(jié)果，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)作為支撐。文中擬通過(guò)初選一定質(zhì)量比例的定形相變材料進(jìn)行初期研究，觀測(cè)其熱物理性能，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為后期實(shí)驗(yàn)條件下的CFD 模型驗(yàn)證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尋找最佳的混合比例。選取SSPCM 和回填沙質(zhì)量比為3:7 的混合材料進(jìn)行初期實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M工況為夏季工況，發(fā)熱棒控制發(fā)熱量為30 W，對(duì)應(yīng)單位長(zhǎng)度發(fā)熱量為50 W/m。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸較小，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下受環(huán)境干擾嚴(yán)重，所以整體實(shí)驗(yàn)周期較短。其中，A，B 對(duì)比實(shí)驗(yàn)選取原則為3 h 運(yùn)行后回填內(nèi)部3 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置SSPCM分別處于已熔化、熔化中和未熔化3 個(gè)特殊狀態(tài)，具有代表性。C，D 以短周期循環(huán)代替實(shí)際地源熱泵長(zhǎng)周期循環(huán)，E 為間歇工況對(duì)照實(shí)驗(yàn)。文中所用回填材料熱物參數(shù)如表2 所示，具體實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式如表3 所示。

表2 材料參數(shù)表Table 2 Material properties.

表3 運(yùn)行模式Table 3 Operating mode

2.1 SSPCM 回填對(duì)回填區(qū)域溫度的影響

圖5 分別給出了A 和B 運(yùn)行模式下的回填區(qū)域內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況。由圖5 可知，同樣工況運(yùn)行3 h 時(shí)，混合回填情況下各測(cè)點(diǎn)溫度均低于普通回填，距離發(fā)熱棒越近，這種特性表現(xiàn)越明顯。r=0.01 m 處測(cè)點(diǎn)混合回填比普通回填情況下低10 ℃，r=0.03 m 處低6 ℃，r=0.05 m 處低5 ℃，均可以和熱源保持較大換熱溫差，表現(xiàn)出較強(qiáng)的換熱效果。這主要是由于回填材料中SSPCM 部分存在恒溫相變過(guò)程，在這一過(guò)程中SSPCM 會(huì)吸收很大一部分熱量且溫度保持恒定，并將這部分熱量以潛熱相變而非顯熱升溫的形式儲(chǔ)存下來(lái)。SSPCM 所具有的這種特性可以有效降低回填區(qū)域內(nèi)部的溫度升高幅度，增大實(shí)際使用過(guò)程中地埋管換熱器的換熱溫差，進(jìn)而改善地埋管的換熱效果。同時(shí)，由于越遠(yuǎn)離發(fā)熱中心時(shí)，SSPCM 作用效果就越不明顯，即SSPCM 回填存在一個(gè)有效作用半徑，在工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際地埋管設(shè)計(jì)尺寸和運(yùn)行模式來(lái)考慮回填材料的回填半徑。

圖5 回填區(qū)域內(nèi)部溫度變化Fig. 5 Temperature variations inside backfill area

經(jīng)過(guò)9 h 恢復(fù)后，普通回填情況下回填區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)平均溫度為13 ℃，而混合回填情況下測(cè)點(diǎn)平均溫度為12.2 ℃，分別為實(shí)驗(yàn)初場(chǎng)溫度的127.5%和127.6%，可以看出，在啟停時(shí)間比為1:3 的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況下，混合回填和普通回填恢復(fù)情況并無(wú)差異。

從圖5（b）中r=0.01 m 處測(cè)點(diǎn)溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)溫度升高過(guò)程和下降過(guò)程的斜率均有明顯變化，由初始的急速上升或者下降到后來(lái)變得平緩。這主要是由于在升溫或者降溫初期，溫度尚未達(dá)到SSPCM 相變溫度范圍，SSPCM 以顯熱的形式吸收或釋放熱量，由于混合回填材料導(dǎo)熱系數(shù)較大，熱量傳輸迅速，該過(guò)程溫度變化較為劇烈；而達(dá)到SSPCM 相變范圍時(shí)，SSPCM 開(kāi)始相變，此過(guò)程SSPCM 以潛熱的形式吸收或釋放熱量，溫度變化不明顯，溫度變化的斜率開(kāi)始變緩。

2.2 SSPCM 回填對(duì)回填區(qū)域外部溫度的影響

圖6 分別給出了A 和B 運(yùn)行模式下，r=0.08 m，r=0.11 m 和r=0.14 m 3 處回填區(qū)域外部測(cè)點(diǎn)的過(guò)余溫度隨時(shí)間變化曲線。可以看出，不同回填情況下測(cè)點(diǎn)的過(guò)余溫度變化趨勢(shì)表現(xiàn)大致相同：3 h 運(yùn)行期間隨時(shí)間逐漸上升；3～5 h 時(shí)處于系統(tǒng)停止運(yùn)行的初始階段，回填區(qū)域內(nèi)部仍保持較高溫度，向外傳熱溫差大，所以回填區(qū)域外過(guò)余溫度仍然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；5 h 后回填區(qū)域內(nèi)部溫度下降，向外傳熱速率變緩，外部區(qū)域過(guò)余溫度開(kāi)始下降。在5 h 升溫階段結(jié)束后，普通回填情況下0.08 m、0.11 m 和0.14 m 3 處測(cè)點(diǎn)過(guò)余溫度分別為3.81℃、3.01℃、1.87 ℃；混合回填情況下分別為3.15 ℃、2.25 ℃和1.23 ℃，明顯低于普通回填。

圖6 回填區(qū)域外部溫度變化Fig. 6 Excess temperature change outside backfill area

系統(tǒng)停止運(yùn)行9 h 后，普通回填情況下0.08 m、0.11 m 和0.14 m 3 處測(cè)點(diǎn)過(guò)余溫度分別下降至2.43 ℃、2.33 ℃和2.14 ℃；混合回填情況下分別為2.29 ℃、1.98 ℃和1.58 ℃，最大溫度差異分別達(dá)到35%。顯示了利用SSPCM 作為回填材料的情況下，能夠有效降低地埋管對(duì)周?chē)鷾囟葓?chǎng)的熱影響。若在多埋管設(shè)計(jì)時(shí)，利用SSPCM，可以起到減小排管間距的優(yōu)勢(shì)。

2.3 間歇運(yùn)行工況下?lián)Q熱特性分析

圖7 分別給出了C、D 和E 3 種運(yùn)行模式下距離發(fā)熱中心0.03 m 處測(cè)點(diǎn)溫度變化?？梢钥闯觯珽 模式即連續(xù)運(yùn)行狀況下，發(fā)熱中心內(nèi)部持續(xù)升溫，在15 h 時(shí)已經(jīng)達(dá)到30 ℃，換熱效果極差，隨后繼續(xù)運(yùn)行下的地埋管換熱器效率也會(huì)隨著換熱溫差的降低持續(xù)降低。這是因?yàn)樵谶B續(xù)運(yùn)行工況下，相變潛熱利用完后，SSPCM將以顯熱的形式持續(xù)升溫，已經(jīng)無(wú)法發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。間歇運(yùn)行可以很好地改善這種現(xiàn)象，在C（啟停比1:1）和D（啟停比1:2）模式下15 h 處的恢復(fù)時(shí)刻溫度分別為21 ℃和20 ℃，均可發(fā)揮出強(qiáng)于E 模式的換熱效果。實(shí)際應(yīng)用對(duì)象存在大量間歇運(yùn)行工況，如何優(yōu)化布置SSPCM，自適應(yīng)系統(tǒng)啟停時(shí)間比是實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

圖7 不同運(yùn)行模式下r=0.03 m 處測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig. 7 Temperature variation of at r=0.03 m different operation modes

同時(shí)，也可以明顯看出D 模式下溫升明顯小于C 模式，在15～25 h 時(shí)表現(xiàn)較為明顯。這是因?yàn)樵诖藚^(qū)間內(nèi)，C 運(yùn)行模式下1 h 的恢復(fù)時(shí)間已經(jīng)無(wú)法使SSPCM 恢復(fù)到相變溫度以下的未熔化狀態(tài)，SSPCM 無(wú)法完全發(fā)揮出相變儲(chǔ)能效果，大部分熱量以顯熱的形式儲(chǔ)存，D 運(yùn)行模式下，其啟停比為1:2，相對(duì)與C 模式，有較長(zhǎng)的間歇期。因此，SSPCM 有足夠的恢復(fù)時(shí)間，從而保證定形相變材料性能的循環(huán)使用。所以，D 模式下溫升較小，可以發(fā)揮出強(qiáng)于C 模式的換熱效果。由D 運(yùn)行模式下測(cè)點(diǎn)溫度變化可以推測(cè)，隨著運(yùn)行周期繼續(xù)進(jìn)行，2 h 恢復(fù)時(shí)間也會(huì)使SSPCM 溫度無(wú)法恢復(fù)到相變溫度以下，此時(shí)，SSPCM 不能發(fā)揮儲(chǔ)能效果。如需要SSPCM再次恢復(fù)相變儲(chǔ)能效果，則需較長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間。在實(shí)際工程中，如辦公、商業(yè)等建筑為典型的運(yùn)行-間歇周期，有利于定形相變材料的性能恢復(fù)。在后期的研究中，需要通過(guò)建筑負(fù)荷特性、運(yùn)行周期、相變材料性能（相變溫度、比熱容、混合比例、相變潛熱）等因素進(jìn)行綜合分析。

3 結(jié) 論

文中通過(guò)建立地埋管換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別進(jìn)行了普通回填下的實(shí)驗(yàn)和定形相變材料（SSPCM）混合回填下的間歇實(shí)驗(yàn)，得到了不同運(yùn)行條件下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度場(chǎng)分布情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到以下主要結(jié)論：

1）使用SSPCM 混合普通回填沙進(jìn)行回填，可明顯改善地埋管換熱器周?chē)寥罒岫逊e情況，降低換熱器周?chē)靥畈牧蠝囟炔▌?dòng)。在文中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，相比普通回填，混合回填下距離發(fā)熱中心0.01 m 處測(cè)點(diǎn)低10 ℃左右，0.03 m 處低6 ℃左右，0.05 m 處低5 ℃左右，可較大程度提高地埋管換熱溫差。

2）在實(shí)驗(yàn)條件下，越遠(yuǎn)離發(fā)熱中心距離，SSPCM 混合回填緩和溫度波動(dòng)的效果越差。即SSPCM 回填存在一個(gè)有效作用半徑，在工程中需根據(jù)實(shí)際地埋管設(shè)計(jì)尺寸和運(yùn)行模式來(lái)考慮回填材料的回填半徑。

3）實(shí)驗(yàn)條件下連續(xù)運(yùn)行到后期，SSPCM 以顯熱的形式升溫，已經(jīng)無(wú)法發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。而間歇運(yùn)行可以較好恢復(fù)SSPCM 性能，使地埋管換熱器較長(zhǎng)時(shí)間保持大換熱溫差，保持地源熱泵系統(tǒng)較高的運(yùn)行效率。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮SSPCM 恢復(fù)情況來(lái)設(shè)置停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度，這對(duì)保持SSPCM 回填下地源熱泵高換熱效率有關(guān)鍵作用。

4）在以間歇模式連續(xù)運(yùn)行狀況下，SSPCM 回填區(qū)域仍然會(huì)有一定的熱堆積，在恢復(fù)時(shí)間后回填區(qū)域溫度仍高于SSPCM 相變溫度范圍時(shí)，SSPCM 回填就不能發(fā)揮出相變儲(chǔ)能的效果，只能視為有較大導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的普通回填材料。在后期研究中，應(yīng)綜合考慮建筑負(fù)荷特性、運(yùn)行周期、相變材料性能等多方面因素綜合分析。