摘 要：提出在水平埋管和地表中間敷設(shè)熱絕緣層，用于降低地源熱泵系統(tǒng)處理防護(hù)工程余熱過(guò)程中的紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)。首先，綜合考慮太陽(yáng)輻射、長(zhǎng)波輻射、對(duì)流傳熱、蒸發(fā)潛熱以及埋管散熱對(duì)地表溫度的影響，構(gòu)建水平螺旋埋管絕緣層模型；然后，求得典型工況下有無(wú)絕緣層的地表溫度分布，分析敷設(shè)絕緣層帶來(lái)的紅外偽裝效果；最后，探究敷設(shè)熱絕緣層對(duì)系統(tǒng)熱性能的附帶影響。結(jié)果表明：通過(guò)敷設(shè)熱絕緣層，埋管上方地表和周邊區(qū)域的最大溫差可由5 ℃減少至0.3 ℃以內(nèi)，上方地表溫度同周邊區(qū)域平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大可減少0.71 ℃，系統(tǒng)紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)大大降低；敷設(shè)絕緣層后熱泵和系統(tǒng)的平均COP可分別增加0.15和0.09，系統(tǒng)傳熱性能得到提升；當(dāng)埋管上方地表熱流、埋管出口溫度、埋管上方地表同周邊區(qū)域地表熱流或溫差為極值時(shí)，需著重對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行紅外偽裝處理。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；數(shù)值模型；熱效能；紅外暴露；應(yīng)對(duì)策略

中圖分類號(hào)：TU831" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

地源熱泵系統(tǒng)處理防護(hù)工程余熱具備能耗低、運(yùn)行靈活、性能穩(wěn)定、偽裝效果良好等優(yōu)勢(shì)［1］。傳統(tǒng)的垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)傳熱性能較好［2］，但初投資大，施工工藝復(fù)雜，水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)傳熱性能稍劣，但成本較低，施工簡(jiǎn)單，可作為垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的補(bǔ)充［3］。然而，水平埋管通常設(shè)在工程外部，且埋深較淺。埋管處理工程負(fù)荷時(shí)易向地表方向排熱，導(dǎo)致埋管上方地表溫度高于周邊區(qū)域。目前紅外成像儀分辨率可達(dá)0.30 ℃，若不對(duì)水平埋管上方土壤進(jìn)行紅外偽裝，成像儀可輕易分辨其與周?chē)h(huán)境的溫差，導(dǎo)致工程位置暴露，成為打擊目標(biāo)［4］。因此，如何應(yīng)對(duì)防護(hù)工程，特別是指揮防護(hù)工程散熱裝置的紅外暴露問(wèn)題，是一個(gè)非常重要的研究課題。

李永［4］基于COMSOL構(gòu)建垂直地埋管管群的三維傳熱模型，考慮土壤表面與天空的輻射換熱以及與空氣的對(duì)流傳熱分析了管群長(zhǎng)期運(yùn)行下，地表面無(wú)植被覆蓋時(shí)中心區(qū)域、非中心區(qū)域及其他區(qū)域溫度的差異性。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)乇砻鏌o(wú)植被覆蓋時(shí)，管群長(zhǎng)期運(yùn)行下中心區(qū)域的地表溫度要比其他區(qū)域高出約2.5 ℃，非中心區(qū)域的地表溫度也要比其他區(qū)域高出約1.0 ℃，建議在地表面設(shè)置植被層，用于降低地表溫度的增加幅度和紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)。茅靳豐等［5］基于Fluent構(gòu)建垂直地埋管的三維非穩(wěn)態(tài)對(duì)流導(dǎo)熱耦合模型，考慮了土壤地表面與太陽(yáng)、天空和空氣的熱交換，分析了埋管運(yùn)行期間地表溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，鉆孔對(duì)地表的熱作用半徑和地表溫度的增幅隨著埋管換熱量的增加而增加。為降低地表溫度的增加幅度和紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)，可適當(dāng)增加覆土層的厚度至2.5 m。然而，上述兩篇文章都忽略了土壤自身的蒸發(fā)潛熱，因此得到的地表溫度偏大，水平埋管的紅外暴露問(wèn)題及解決措施亦需進(jìn)一步研究。

近地面敷設(shè)熱絕緣層是常見(jiàn)的土壤蓄能措施。通過(guò)在土壤內(nèi)敷設(shè)低導(dǎo)熱系數(shù)的熱絕緣層，可大幅度抑制土壤通過(guò)地表面與周?chē)h(huán)境的換熱，減少土壤內(nèi)冷量或熱量的散失。本文借鑒這一思路，提出在水平埋管和上方地表中間敷設(shè)熱絕緣層，阻止埋管向地表方向排熱，確保埋管上方地表與周邊區(qū)域的溫度相當(dāng)，降低工程紅外暴露的風(fēng)險(xiǎn)，求得典型工況下有無(wú)絕緣層的地表溫度分布，分析敷設(shè)絕緣層帶來(lái)的紅外偽裝效果。同時(shí)，由于埋管附近傳熱介質(zhì)發(fā)生了改變，因此，分析敷設(shè)熱絕緣層對(duì)水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱性能的附帶影響。

1 水平螺旋埋管熱絕緣層模型

1.1 模型構(gòu)建

本文選取傳熱性能較好的螺旋埋管［6］作為研究對(duì)象，在螺旋埋管和上方地表中間敷設(shè)熱絕緣層，如圖1所示，用于降低系統(tǒng)的紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析有無(wú)絕緣層情形下，水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)處理某指揮防護(hù)大廳滿負(fù)荷運(yùn)行6個(gè)月（5月1日—10月31日）逐時(shí)冷負(fù)荷的地表溫度和性能系數(shù)COP（coefficient of performance），可揭示該紅外暴露應(yīng)對(duì)策略的可行性及其對(duì)系統(tǒng)熱性能的附帶影響。

基于多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL的固體傳熱模塊和非等溫管道流模塊構(gòu)建水平螺旋埋管熱絕緣層模型，將埋管的傳熱過(guò)程分為兩部分：1）管內(nèi)流體與埋管管壁之間的對(duì)流傳熱；2）管壁、絕緣材料和土壤之間的熱傳導(dǎo)。通過(guò)瞬態(tài)求解器對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行求解，可求得流體、管壁、絕緣材料和土壤在任意時(shí)空下的溫度。數(shù)值模型的控制方程、初始和邊界條件、輸入?yún)?shù)以及驗(yàn)證，將在后文進(jìn)行詳細(xì)介紹。數(shù)值模型的相關(guān)假設(shè)如下：1）忽略土壤的地下水流動(dòng)和水分遷移；2）土壤為各向同性介質(zhì)；3）忽略土壤和管壁之間的接觸熱阻；4）流體、管壁、絕緣材料和土壤的初始溫度相同。水平螺旋埋管三維數(shù)值模型的幾何構(gòu)造見(jiàn)圖2，淺層土壤易受到環(huán)境熱擾動(dòng)的影響，為準(zhǔn)確計(jì)算淺層土壤的實(shí)時(shí)溫度，此處網(wǎng)格較為密集。另外，管段附近土壤溫度梯度較大，為確保數(shù)值模型的計(jì)算精度，此處網(wǎng)格較小。整個(gè)模型沿[z]軸生成掃掠網(wǎng)格，用于提高數(shù)值模型的計(jì)算速度。

1.2 模型控制方程

管壁以及管內(nèi)流體的傳熱過(guò)程由COMSOL的非等溫管道流模塊描述。此模塊將具有體積的三維管段等效為無(wú)體積的一維線，因此，管內(nèi)流體的傳熱可由式（1）描述：

[ρfApicpf?Tf?t+ρfApicpfu→?▽Tf=" " " " "▽?Apiλf▽Tf+fDρfApi2dpiu→3+qwall] （1）

式中：[ρf]——流體密度，kg/m3；[Api]——管內(nèi)橫截面積，m2；[cpf]——流體比熱容，J/（kg·℃）；[Tf]——流體溫度，℃；[t]——時(shí)間，s；[u]——流體速度，m/s；[λf]——流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；[fD]——摩擦因子；[dpi]——管內(nèi)直徑，m；[qwall]——流體與土壤的熱流量，W。

模型假定土壤為低滲透率介質(zhì)，水力傳導(dǎo)系數(shù)較小，其中的地下水流動(dòng)和水分遷移可忽略不計(jì)，土壤的輻射傳熱通常較小。因此，絕緣材料和土壤的傳熱過(guò)程通過(guò)固體傳熱模塊的熱傳導(dǎo)方程描述：

[cpi?Ti?t+▽?λi▽Ti=-qwall，" "i=ins（絕緣材料），" s（土壤）] （2）

式中：[cp]——比熱容，J/（kg·℃）；[T]——溫度，℃；[λ]——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

1.3 模型初始和邊界條件

水平螺旋埋管所在位置的淺層土壤通常為非飽和非均勻介質(zhì)，其傳熱性能與非飽和土壤的熱物性參數(shù)有直接關(guān)系。為準(zhǔn)確分析埋管的傳熱性能，需確定淺層不飽和土壤不同深度處的熱物性參數(shù)。不飽和土壤沿深度方向的含水量對(duì)土壤熱物性參數(shù)有重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，含水量分布與土壤基質(zhì)吸力有關(guān)，可用基質(zhì)吸力曲線進(jìn)行描述。假設(shè)土壤水力平衡，并忽略土壤的地下水流動(dòng)和水分轉(zhuǎn)移，非飽和土壤的基質(zhì)吸力[ψ]［7］可表述為：

[ψ=ppore，a-ppore，w=ρwgDz] （3）

式中：[ppore，a]、[ppore，w]——土壤孔隙中空氣和水的壓力，Pa；[ρw]——水的密度，kg/m3；[g]——重力加速度，m/s2；[Dz]——[z]深度處土壤距地下水位線的長(zhǎng)度，m。

非飽和土壤的體積含水量[θ]與土壤殘余含水量、土壤飽和含水量和基質(zhì)吸力有關(guān)［8-9］：

[θ=θresidual+θsaturated-θresidual11+0.012ψ1.390.28] （4）

式中：[θresidual]、[θsaturated]——土壤殘余含水量和土壤飽和含水量。

土壤不同深度處的導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容是各組分導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容的加權(quán)平均：

[λs=1-ηλso+θλw+η-θλacps=1-ηcpso+θcpw+η-θcpa] （5）

式中：[λso]、[λw]和[λa]——固、液和氣相的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；[cpso]、[cpw]和[cpa]——固、液和氣相的體積比熱容，J/（kg·℃）；[η]——土壤孔隙率，[η=0.43]。

求得不飽和土壤不同深度處的導(dǎo)熱系數(shù)和體積熱容后，即可等效使用固體傳熱模塊來(lái)模擬非飽和土壤的傳熱過(guò)程。

指揮防護(hù)大廳運(yùn)行6個(gè)月的逐時(shí)冷負(fù)荷見(jiàn)圖3，冷負(fù)荷的求解過(guò)程可參考文獻(xiàn)［4］，利用COMSOL的線性插值函數(shù)將大廳逐時(shí)冷負(fù)荷內(nèi)嵌在模型中。

將5月1日00：00在南京某基地測(cè)得的不同深度土壤溫度作為數(shù)值模型的初始溫度條件。土壤表面設(shè)定為能量邊界條件［10］：

[λs?Ts?zz=0=αssI+εssσT4sky，K-T4ss，K+haTa-Tss-E] （6）

式中：[αss]——地表的吸收率；[I]——太陽(yáng)輻照度，W/m2；[εss]——地表的紅外發(fā)射率；[Tsky，K]——天空溫度，K；[Tss，K]——地表開(kāi)爾文溫度，K；[ha]——空氣對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；[Ta]——室外空外溫度，℃；[Tss]——地表溫度，℃；[E]——蒸發(fā)潛熱項(xiàng)，W/m2。

南京某基地測(cè)得5月1日—10月31日的逐時(shí)氣象參數(shù)見(jiàn)圖4。遠(yuǎn)邊界和底面邊界設(shè)定為絕熱，地下水位線設(shè)定為7.5 m。模擬時(shí)間設(shè)定為4320 h，即指揮大廳滿負(fù)荷運(yùn)行6個(gè)月的小時(shí)數(shù)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為1 h。

埋管出口位置設(shè)定為壓力邊界，埋管進(jìn)口位置設(shè)定為變速度邊界，埋管進(jìn)口實(shí)時(shí)速度為：

[ut=QDTtTLLT-TELTApiρfcpf×δCOPhp，c+1δCOPhp，c] （7）

式中：[QDT]——大廳的冷負(fù)荷，W；[TELT]和[TLLT]——熱泵額定進(jìn)水和出水溫度，[TELT=32] ℃，[TLLT=37] ℃，[TLLT-TELT=5] ℃；[δCOPhp，c]——熱泵機(jī)組的額定制冷COP，[δCOPhp，c=4.50]。

數(shù)值模型參數(shù)見(jiàn)表1，表中[δpitch]、[rloop]和[Hburied]分別代表螺旋水平埋管的螺距、螺旋圈半徑和埋深，而[Hins、wins]和[λins]分別代表熱絕緣層的深度、厚度和導(dǎo)熱系數(shù)。

通常來(lái)說(shuō)，埋管上方地表與周邊區(qū)域溫度的差異在某些極端工況下會(huì)比較明顯，工程在這些工況易存在紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)。本文進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行6個(gè)月下，未敷設(shè)絕緣層時(shí)埋管上方和周邊區(qū)域的實(shí)時(shí)平均熱流、平均溫度以及埋管出口溫度，并結(jié)合大廳負(fù)荷，選取10個(gè)典型極端工況作為分析對(duì)象，它們的熱流、溫度或負(fù)荷通常為極值。10個(gè)典型工況及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻見(jiàn)表2。需說(shuō)明的是，周邊區(qū)域指的是埋管正上方地表外的土壤表面。

通過(guò)計(jì)算上述工況下埋管上方地表同周邊區(qū)域溫度的差異性，可定量研究敷設(shè)絕緣層對(duì)系統(tǒng)紅外暴露的抑制作用。本章利用埋管上方地表溫度同周邊區(qū)域平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差（standard of deviation，STD）來(lái)定量衡量系統(tǒng)的紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)。

[δSTD=i=1NTss1，i-Tss2，mean2N] （8）

式中：[δSTD]——埋管上方地表溫度同周邊區(qū)域平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；[Tss1，i]——第[i]個(gè)埋管上方地表溫度點(diǎn)的溫度，℃；[Tss2，mean]——埋管周邊區(qū)域平均溫度；[N]——埋管上方地表溫度點(diǎn)的數(shù)量，通過(guò)將數(shù)值模型求得的地表溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，求得N=4357。

1.4 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

水平螺旋埋管數(shù)值模型的準(zhǔn)確性可通過(guò)Metz［11］的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。表3展示了Metz的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，更多的細(xì)節(jié)可查閱［11］。數(shù)值模型設(shè)定的參數(shù)以及流體入口溫度與實(shí)驗(yàn)相同。

圖5對(duì)比了數(shù)值模型和實(shí)驗(yàn)求得的水平螺旋埋管出口溫度。由圖可知，數(shù)值模型和實(shí)驗(yàn)求得的出口溫度吻合的較好，兩者的平均和最大誤差分別為0.20和1.10 ℃?？紤]到實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，模擬值和實(shí)驗(yàn)值的差值在允許范圍內(nèi)。因此，本文所建立的水平螺旋埋管三維數(shù)值模型準(zhǔn)確，可用于后續(xù)結(jié)果分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 敷設(shè)絕緣層對(duì)系統(tǒng)紅外暴露的抑制作用

圖6給出了10個(gè)典型工況下有無(wú)絕緣層的地表溫度，工況左側(cè)等值線圖代表無(wú)絕緣層的地表溫度分布，右側(cè)等值線圖代表有絕緣層的地表溫度分布。由圖可知，通過(guò)敷設(shè)絕緣層，埋管上方地表溫度和周邊區(qū)域的溫度的差異性明顯減小。以埋管上方地表熱流最大的工況1為例，未敷設(shè)絕緣層時(shí)，埋管上方地表溫度最小值為24.72 ℃，最大值為31.18 ℃，周邊區(qū)域的溫度在28～29 ℃的范圍內(nèi)，埋管上方地表溫度和周邊區(qū)域溫度的最大差值可達(dá)5 ℃，熱成像儀可輕易分辨該溫差，導(dǎo)致工程位置暴露，成為打擊目標(biāo)。通過(guò)在水平螺旋埋管和上方地表中間敷設(shè)熱絕緣層，埋管上方地表溫度最小值為29.92 ℃，最大值為30.26 ℃，周邊區(qū)域的溫度約為30 ℃，埋管上方地表溫度與周邊區(qū)域溫度的最大差值僅為0.30 ℃，這大大降低了工程紅外暴露的風(fēng)險(xiǎn)，為工程安全運(yùn)行提供保障。

圖7展示了10個(gè)典型工況下有無(wú)絕緣層的埋管上方地表溫度分布。相較于無(wú)絕緣層情形，通過(guò)敷設(shè)熱絕緣層，埋管上方地表溫度分布更為均勻。以埋管上方地表熱流最小的工況2為例，無(wú)絕緣層情形下的埋管上方地表溫度主要分布在23.26～24.18 ℃，最小值和最大值分別為22.41和27.42 ℃，而有絕緣層情形下的埋管上方地表溫度主要分布在23.29～23.31 ℃，最小值和最大值分別為23.10和23.31 ℃。通過(guò)敷設(shè)絕緣層，埋管上方地表溫度的變化幅度減少0.90 ℃，減少率為97.83%，最大差值減少了4.80 ℃，減少率為95.81%。通過(guò)敷設(shè)隔熱性能好的絕緣層，埋管釋放的熱量無(wú)法向近地面土壤延伸，整個(gè)地表面幾乎只受室外環(huán)境熱作用的影響，溫度分布均勻。若不敷設(shè)絕緣材料，埋管上方地表溫度不僅受到環(huán)境影響，還會(huì)受到沿管長(zhǎng)變化的埋管排熱量影響，不同位置的溫度差異性較大，溫度分布不均勻。圖7也表明，相較于與其他工況，工況5～8的埋管上方地表溫度分布在有無(wú)絕緣層情形都比較均勻。以埋管上方地表溫度最小的工況5為例，無(wú)絕緣層情形下的埋管上方地表溫度主要分布在9.81～9.87 ℃，最小值和最大值分別為9.67和10.06 ℃，而有絕緣層情形下的埋管上方地表溫度主要分布在9.65～9.66 ℃，最小值和最大值分別為9.65和9.78 ℃，通過(guò)敷設(shè)絕緣層，埋管上方地表溫度的變化幅度僅減少了0.05 ℃，最大差值僅減少了0.26 ℃。

為定量分析埋管上方地表和周邊區(qū)域溫度的差異性，揭示絕緣層對(duì)系統(tǒng)紅外暴露的抑制作用，圖8給出了10個(gè)典型工況下有無(wú)絕緣層埋管上方地表溫度同周邊區(qū)域平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差STD，上方圓點(diǎn)代表無(wú)絕緣層的標(biāo)準(zhǔn)偏差STD，而下方圓點(diǎn)代表有絕緣層的標(biāo)準(zhǔn)偏差STD。由圖8可知，有熱絕緣層情形下工況1～10的STD分別為0.30、0.22、0.05、0.12、0.11、0.13、0.04、0.11、0.11和0.26 ℃，而無(wú)熱絕緣層情形下工況1～10的STD分別為1.01、0.78、0.52、0.14、0.12、0.15、0.29、0.43、0.42和0.56 ℃，有熱絕緣層情形下工況1～10的STD要分別比無(wú)絕緣層情形小0.71、0.56、0.47、0.02、0.01、0.01、0.25、0.32、0.31和0.30 ℃。因此，通過(guò)敷設(shè)熱絕緣層，不同工況下的STD都有不同程度地減少，工程紅外暴露的風(fēng)險(xiǎn)得到抑制。這是因?yàn)樵谒铰菪窆芎偷乇碇虚g敷設(shè)熱絕緣層，可有效抑制埋管向地表方向排熱，埋管上方地表同周邊區(qū)域一樣，主要受室外環(huán)境熱擾動(dòng)的影響，溫度分布也更傾向于周邊區(qū)域。未敷設(shè)絕緣材料時(shí)，埋管上方地表不僅與室外環(huán)境換熱，還會(huì)受到管排熱的影響，其溫度與周邊區(qū)域溫度的差異性較大。由于紅外成像儀分辨率可達(dá)0.30 ℃，因此可認(rèn)為工程在工況1、2、3、8、9和10下存在較大的紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)，即當(dāng)埋管上方地表熱流、埋管出口溫度、埋管上方地表同周邊區(qū)域地表熱流或溫差為最值時(shí)，需對(duì)工程外部的散熱裝置進(jìn)行紅外偽裝處理，防止工程位置暴露，成為敵方打擊目標(biāo)。

2.2 敷設(shè)絕緣層對(duì)系統(tǒng)熱性能的提升作用

由于使用絕緣材料替代小部分土壤，埋管附近傳熱介質(zhì)發(fā)生改變，因此需分析敷設(shè)熱絕緣層對(duì)地源熱泵系統(tǒng)熱性能的附帶影響。圖9展示了有無(wú)絕緣層下地源熱泵系統(tǒng)的熱泵COP（[δCOPhp]）和系統(tǒng)COP（[δCOPsys]）分布。由圖可知，敷設(shè)熱絕緣層會(huì)略微增加[δCOPhp]和[δCOPsys]的波動(dòng)幅度。無(wú)絕緣層時(shí)地源熱泵系統(tǒng)的[δCOPhp]和[δCOPsys]主要分布在4.46～5.18和3.60～4.03之間，有絕緣層時(shí)系統(tǒng)的[δCOPhp]和[δCOPsys]主要分布在4.55～5.44和3.68～4.19之間。敷設(shè)熱絕緣層后，[δCOPhp]和[δCOPsys]的波動(dòng)幅度分別增加了23.61%和18.60%。這可能是因?yàn)槁窆苌l(fā)的熱量會(huì)在絕緣層附近堆積，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下，堆積的熱量會(huì)影響埋管熱性能的穩(wěn)定性。圖9也表明，無(wú)絕緣層時(shí)地源熱泵系統(tǒng)的平均[δCOPhp]和[δCOPsys]分別為4.86和3.84，有絕緣層時(shí)地源熱泵系統(tǒng)的平均[δCOPhp]和[δCOPsys]分別為5.01和3.93，通過(guò)在水平螺旋埋管上方敷設(shè)熱絕緣層，地源熱泵系統(tǒng)的平均[δCOPhp]和[δCOPsys]分別增加了0.15和0.09。

有無(wú)絕緣層下地源熱泵系統(tǒng)的平均[δCOPhp]和[δCOPsys]的差異性可由圖10解釋。有無(wú)絕緣層情形時(shí)，埋管上方地表單位面積總熱流值、總熱流值以及平均熱流值分別為8.19 Wh/m2和5.85 kWh/m2、10013.64 MJ和7157.49 MJ以及643.88 W和460.23 W，通過(guò)在水平螺旋埋管上方敷設(shè)熱絕緣層，埋管上方地表單位面積總熱流值、總熱流值以及平均熱流值的減少量分別為2.34 kWh/m2、2856.14 MJ和183.65 W。因此，絕緣層的熱阻隔作用使得埋管無(wú)法通過(guò)地表同室外環(huán)境進(jìn)行換熱，地表熱流僅受太陽(yáng)輻射、天空負(fù)荷、對(duì)流傳熱以及蒸發(fā)潛熱的共同作用，幾乎不受埋管散熱的影響，地表熱流值有所減小。也就是說(shuō)，通過(guò)敷設(shè)絕緣層，埋管熱量會(huì)向更深處土壤傳遞，因?yàn)樯顚油寥赖膶?dǎo)熱系數(shù)更高，制冷工況溫度更低，所以埋管在有絕緣層情形下的平均傳熱性能更好，平均[δCOPhp]和[δCOPsys]更大。

圖11展示了有無(wú)絕緣層下地源熱泵系統(tǒng)的月平均熱泵和系統(tǒng)COP。有無(wú)絕緣層下6—10月份的平均[δCOPhp]分別為5.78、5.45、5.06、4.69、4.52和4.55以及5.67、5.19、4.73、4.38、4.43和4.75，而平均[δCOPsys]分別為4.30、4.23、4.03、3.79、3.64和3.59以及4.24、4.08、3.82、3.59、3.58和3.72。相較于無(wú)絕緣層，有絕緣層下6—9月份的平均[δCOPhp]和[δCOPsys]分別增加了0.10、0.26、0.33、0.31和0.09以及0.06、0.16、0.21、0.20和0.06，而10月的平均[δCOPhp]和[δCOPsys]分別減少了0.20和0.12。通過(guò)在埋管和地表中間敷設(shè)絕緣層，除10月份，系統(tǒng)在其他月份的傳熱性能均可得到提升。這可能是因?yàn)?0月份是系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)負(fù)荷運(yùn)行下的最后一個(gè)月，絕緣層附近的熱堆積作用已較為明顯，影響了埋管的傳熱性能。因此，若指揮大廳滿負(fù)荷運(yùn)行超過(guò)本文設(shè)定的6個(gè)月，在避免水平式地埋管地源熱泵系統(tǒng)部分紅外暴露的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)分配較多負(fù)荷給垂直式地埋管地源熱泵系統(tǒng)部分，用于提升整個(gè)復(fù)合式埋管的傳熱性能。

3 結(jié) 論

本文提出在水平螺旋埋管和上方地表中間敷設(shè)熱絕緣層，阻止埋管向地表方向排熱，確保埋管上方地表與周邊區(qū)域的溫度相當(dāng)，降低工程紅外暴露的風(fēng)險(xiǎn)。首先，構(gòu)建水平螺旋管絕緣層模型；然后，求得10個(gè)典型工況下有無(wú)絕緣層的地表溫度分布，分析敷設(shè)絕緣層帶來(lái)的工程紅外偽裝效果；最后，對(duì)比系統(tǒng)在有無(wú)絕緣層情形下的[δCOPhp]和[δCOPsys]，探究敷設(shè)熱絕緣層對(duì)系統(tǒng)熱性能的附帶影響。主要結(jié)論如下：

1）未敷設(shè)絕緣層時(shí)，埋管上方地表和周邊區(qū)域的最大溫差可達(dá)5 ℃，敷設(shè)熱絕緣層時(shí)，最大差值可減少至0.3 ℃以內(nèi)，上方地表溫度同周邊區(qū)域平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大可減少0.71 ℃。因此，通過(guò)敷設(shè)熱絕緣層，埋管上方地表同周邊區(qū)域的溫度將非常接近，大大降低了工程紅外暴露的風(fēng)險(xiǎn)，為工程安全運(yùn)行提供保障。

2）較于其他工況，工程在工況1、2、3、8、9和10下存在較大的紅外暴露風(fēng)險(xiǎn)，即當(dāng)埋管上方地表熱流、埋管出口溫度以及埋管上方地表同周邊區(qū)域地表熱流或溫差為最值時(shí)，需著重對(duì)工程外部的散熱裝置進(jìn)行紅外偽裝處理，防止工程位置暴露，成為敵方打擊目標(biāo)。

3）通過(guò)在水平螺旋埋管上方敷設(shè)熱絕緣層，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行6個(gè)月時(shí)的[δCOPhp]和[δCOPsys]平均值可分別增加0.15和0.09，但波動(dòng)幅度會(huì)增加23.61%和18.60%。通過(guò)敷設(shè)絕緣層，除最后一個(gè)月外，系統(tǒng)在其他月份的傳熱性能都可得到提升。

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COUNTERMEASURES TO INFRARED EXPOSURE OF HORIZONTAL GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM AND ITS INFLUENCE ON THERMAL PERFORMANCE

Zhou Kun1，Zhang Dongdong2，Li Yong1，Han Xu1，Jin Xiaogong2，Xu Xingbin2

（1. College of Defense Engineering， Army Engineering University of PLA， Nanjing 210007， China；

2. Institute of Defense Engineering， Academy of Military Science PLA China， Beijing 100036， China）

Abstract：A thermal insulation layer between the horizontal ground heat exchanger and ground surface was proposed to reduce the infrared exposure risk of the ground source heat pump system in handling the waste heat of protective engineering. The insulation layer model of spiral-type horizontal ground heat exchanger was developed to compare the surface temperature distribution with or without insulation layer under typical working conditions， analyze the infrared camouflage effect resulted from the insulation layer， and evaluate the incidental influence of the thermal insulation layer on the thermal performance of the system. The results show that by laying the thermal insulation layer， the maximum temperature difference between the surface above the buried pipe and the surrounding area can be reduced from 5 ℃ to less than 0.3 ℃， and the infrared exposure risk of the system is greatly reduced. By installing the insulation layer， the average COP of the heat pump and the system can increase by 0.15 and 0.09 respectively， and the system thermal performance can be improved. When the surface heat flow above the buried pipe， the outlet temperature of the buried pipe， and the surface heat flow or temperature difference between the surface above the buried pipe and the surrounding area are extreme values， the infrared camouflage processing of the system should be emphasized.

Keywords：ground source； numerical models； thermal efficiency； infrared exposure； countermeasures