回填空氣間隙對地埋管巖土溫度恢復(fù)性能的影響

王 勇，金逸韜

（重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045）

地源熱泵是隨全球能源環(huán)境問題的可持續(xù)發(fā)展而興起的一種節(jié)能環(huán)保的地?zé)崂眉夹g(shù)［1］。在地源熱泵工程中，地埋換熱器周圍巖土溫度的恢復(fù)一直是研究、設(shè)計人員非常關(guān)心的問題，相關(guān)學(xué)者對此進行了大量的研究［2］。劉俊等［3］提出地溫的恢復(fù)特性主要取決于巖土熱物性、管群布置、系統(tǒng)啟停比、冷熱負荷強度和冷熱負荷不平衡率等因素。Shang等［4］研究了間歇運行情況下，影響地溫恢復(fù)的因素：巖土及回填材料的熱物性、多孔性對巖土溫度的恢復(fù)有較大影響，當(dāng)多孔性指數(shù)下降時，巖土溫度恢復(fù)所需的時間減少。趙利君等［5］通過對間歇運行巖土溫度在不同深度及半徑下的恢復(fù)率的研究，發(fā)現(xiàn)由于巖土對傳熱的衰減作用，離孔壁距離越遠，溫度受到間歇運行工況的影響就越??；巖土恢復(fù)能力隨著運行周期的增加而不斷降低。高源等［6］的實驗結(jié)果表明，同一埋管深度處，機組的運行時間越長，巖土短期內(nèi)可恢復(fù)的可用穩(wěn)定溫度越高，且需要的穩(wěn)定恢復(fù)時間也越長。陳穎等［7］通過實驗發(fā)現(xiàn)熱泵機組開機12h后，巖土溫度趨于穩(wěn)定；停機12h后地下?lián)Q熱器處的巖土溫度可恢復(fù)約95%，但基本得以恢復(fù)需要停機81h。

由于地埋管的鉆孔造價較高，鉆孔的深度、直徑、管材及鉆井周圍巖土的熱物性都難以隨意更改，近年來巖土源熱泵的換熱性能研究除了較多的集中在回填材料的熱物性上以外，越來越重視回填密實度對鉆孔換熱器的換熱性能的影響。由于人工回填施工困難，會導(dǎo)致回填不密實，增加了傳熱總熱阻，極大的影響了地埋管換熱性能［8－9］。Zhang等［10］建立了一個由泥土、水、空氣混合而成的巖土顆粒模型進行研究。研究表明：巖土的多孔性對巖土的傳熱、蓄熱性能有較大的影響。隨著多孔性數(shù)值的增加，巖土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱值會下降。朱清宇等［11］發(fā)現(xiàn)人工回填事實上更廣泛地應(yīng)用于各個土壤源熱泵項目之中，但回填密實性的檢測無法進行，且回填密實性在多大程度上影響U形管的換熱效果也未得到合理的解釋。在實際工程中，由于施工人員與施工單位的素質(zhì)問題，非常不重視回填這道工序，人為的質(zhì)量問題更加導(dǎo)致了回填的不密實。

筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對工程上易出現(xiàn)的埋管空氣間隙，通過理論計算得到該條件下導(dǎo)致的地溫分布情況，研究其對地埋管巖土溫度恢復(fù)性能的影響。

1 地下?lián)Q熱器與巖土的換熱耦合計算模型

地埋管與巖土之間的換熱是一個不穩(wěn)定的導(dǎo)熱過程，其傳熱過程復(fù)雜且影響因素很多，如管內(nèi)水流動、材料物性參數(shù)、巖土熱物性參數(shù)、回填密實度以及地下水分遷移等問題。為了便于計算分析，作出以下簡化：

生產(chǎn)率因素，基于異質(zhì)性企業(yè)貿(mào)易原理可得，采用合理措施確保企業(yè)生產(chǎn)率呈現(xiàn)大幅度提升，與國外消費者所要求的高質(zhì)量、高品質(zhì)、以及高安全度與環(huán)保度的要求相符，進入壁壘的能力將得到提升，背負出口初始沉淀成本的能力就越強。

巖土平均過余溫度的計算對象和計算方法已經(jīng)在前面闡述，根據(jù)式（14），可得到圖3中的計算結(jié)果。

2）由于巖土的溫度變化范圍不大，假定巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度等物性參數(shù)不隨溫度的變化而變化，且是均勻一致的；

3）地埋管同截面具有相同的溫度和流速；

4）無地下水流動換熱，忽略巖土的濕遷移。

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1.1 管內(nèi)流體 對于管內(nèi)流動，流動為不可壓縮流體，采用標(biāo)準(zhǔn)k－>ε模型，近壁區(qū)利用壁面函數(shù)法求解。不考慮源項時，連續(xù)性方程、動量方程以及運輸方程見式（1）～（5）［12－14］：

1.2.5 巖土及回填上表面 巖土及回填上表面設(shè)為壁面，選擇對流換熱邊界條件，考慮到巖土及回填上表面直接與空氣接觸，傳熱量與室外空氣溫度、風(fēng)速、輻射等因素有關(guān)，定義為第三類邊界條件，邊界面周圍空氣溫度設(shè)為31℃（夏季室外計算平均溫度），經(jīng)計算，邊界面與空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h＝1.2W／（m2·K）［16］。

動量方程：

王祥一哆嗦，感覺天都要塌了，自己夸下?？诘倪@批玉器要是賣不出價，就真的沒臉回去見家鄉(xiāng)父老了。他又轉(zhuǎn)念一想，老道士久經(jīng)江湖，說不定對錢數(shù)的認識和自己不一樣。自己只要10萬就滿足了，說不定……想到這里，王祥馬上追問老道：“道長，你覺得我這批玉器能值多少錢呢？”

能量方程：

Given the rarity of this disease there is no data on the incidence, relative risks, or life time risks of SBA and at present no guidelines exist for surveillance. Some authors do recommend upper endoscopy every 3-5 years from age 15, and repeated annually if polyps are diagnosed[42].

湍動能方程：

耗散率方程：

式中湍動粘度μt和由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項Gk的表達式見式（6）和式（7）：

式（1）～（7）中各常數(shù)的取值為：

1.1.2 固體部分 無內(nèi)熱源非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程見式（11）和式（12）：

式中：kp為管壁傳熱系數(shù)；tf為流體溫度；tp為管壁溫度。其中在制冷工況下巖土對流體為冷卻作用，對流換熱系數(shù)h采用式（9）和迪圖斯－貝爾特公式（10）求解：

(1) 外圍地區(qū)車站差異分析：從天津的城市開發(fā)情況來看，居住人口仍然集中在城市中心區(qū)，外圍車站所處的快速環(huán)路以外區(qū)域的土地利用強度不高、人口較為分散，因此按照600 m半徑計算的各類指標(biāo)均較少。而且城市外圍地區(qū)車站的接駁條件較好，實際服務(wù)范圍應(yīng)大于600 m，車站越靠近外環(huán)線，服務(wù)范圍就越大，因此測算的評價指標(biāo)低于客流表現(xiàn)。

對管內(nèi)流體和管壁換熱見式（8）：

式中，k為傳熱系數(shù)，W／（m·K）；ρ為密度。

不考慮接觸熱阻，則不同材料接觸面處溫度相等：t1＝t2，見式（13）：

式中：λf為流體導(dǎo)熱系數(shù)；r為管半徑。

1.2 邊界條件和初始條件設(shè)置

圖6顯示了計算機仿真和實驗室測試結(jié)果。如圖所示,濾波器測量結(jié)果與計算機仿真結(jié)果吻合良好。所設(shè)計的濾波器具有4個帶通頻道,中心頻率分別為1.27 GHz、2.2 GHz、2.63 GHz、3.4 GHz,相應(yīng)的3 dB相對帶寬分別為9.84%、13.25%、2.66%、2.35%,最小插入損耗為分別為1.5 dB、1.1 dB、1.7 dB、1.9 dB,濾波器通帶范圍內(nèi)回波損耗低于-13 dB。另外,本文所設(shè)計的四頻帶通濾波器具有多個傳輸零點,進一步提高了濾波器的頻率選擇性。

1.2.2 埋管出口 埋管的出口各參數(shù)都由埋管進口參數(shù)及管內(nèi)流動換熱情況確定，設(shè)為壓力出口。

1.2.3 U 型管管壁

U型管管壁設(shè)為壁面［15］，對于流動方程，是固定、無滑移壁面，對于邊界節(jié)點速度為零；對于能量方程，選擇耦合的傳熱條件，是位于管內(nèi)流體和管外回填材料這兩個區(qū)域間的壁面。

1.2.4 回填側(cè)壁 回填側(cè)壁設(shè)為壁面，是耦合的傳熱壁面，位于回填材料和巖土這兩個區(qū)域間。

連續(xù)性方程：

1.2.6 遠邊界巖土及底部巖土 遠邊界巖土及底部巖土設(shè)為壁面，選擇給定的壁面溫度20℃。

1.3 回填條件的設(shè)置

根據(jù)回填物與孔壁和換熱器管壁之間不同的回填密實度，在系統(tǒng)連續(xù)運行9h及恢復(fù)15h的運行工況下，建立了3種不同回填工況：1）回填物與孔壁及換熱器管壁間均回填密實，即無空氣層工況，簡稱工況1；2）回填物與孔壁存在空氣層工況，簡稱工況2；3）回填物與換熱器管壁存在空氣層工況，簡稱工況3。具體設(shè)置見表1。工況3中，為了便于模型的建立和網(wǎng)格劃分，將流體和回填材料之間3mm壁厚的PE管和1mm厚的空氣薄層組合為一種材料，簡稱“綜合材料”，根據(jù)兩種材料組合前后傳熱熱阻、密度、比熱計算得到綜合材料的熱物性參數(shù)。

表1 3種不同回填工況空氣層的設(shè)置

1.4 計算條件

以巖土源熱泵單U型換熱器為模型，埋管深80m，鉆孔直徑130mm，流量0.82m3／h，輸入巖土的冷負荷為3.347kW（恒定）。各材料的熱物性參數(shù)如表2所示：

1.2.1 埋管進口 埋管的進口設(shè)為速度進口［15］，速度值設(shè)定為0.43m／s（根據(jù)流量及內(nèi)管徑計算得出），溫度由前一次計算的埋管出口溫度及冷凝器散熱量決定，通過UDF函數(shù)輸入，初始溫度設(shè)為21℃。

安徽省政府近日審議通過《安徽省淮河流域綜合治理規(guī)劃綱要》，根據(jù)規(guī)劃，到2020年前，安徽省將投資1929億元啟動新一輪淮河治理，標(biāo)志著安徽治淮工作從防汛抗旱步入減災(zāi)與防污、供水并重的綜合治理階段。

表2 各材料熱物性參數(shù)

整個模型為一直徑3m，高100m的圓柱體，采用ANSYS建模，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

1.5 巖土平均過余溫度及其計算方法

研究巖土溫度的恢復(fù)情況，目的是考查下一個運行周期前的巖土溫度，使得下一個運行周期盡量不受到上一個運行周期負荷痕跡的影響。筆者主要研究回填空氣間隙對埋管周圍巖土溫度恢復(fù)性能的影響，基于以下2點，選擇研究溫度恢復(fù)的主要對象：

1）近管壁處的巖土溫度是影響地埋管下一個運行周期埋管換熱性能的主要因素。

2）假設(shè)3種不同的回填工況，其中工況2和工況3的空氣層均位于回填區(qū)域內(nèi)。

(2)高磁、激電兩種地球物理方法是尋找隱伏、半隱伏接觸交代矽卡巖礦體的常用方法，但在物探異常解釋過程中，需對獲取的疊加異常進行處理。通過向上、向下延拓，正確區(qū)分深、淺部異常，綜合各類異常特征，進行綜合評價和解釋，推測成礦富集的有利地段。

故選擇回填孔壁及其以內(nèi)的回填區(qū)域作為計算巖土平均過余溫度的對象。

計算方法如式（14）、（15）所示：

1）對于某一深度z處的回填區(qū)域截面，平均過余溫度為：

2）對于整個回填區(qū)域體，平均過余溫度為：

根據(jù)情景C、D，把種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與高效灌溉技術(shù)結(jié)合起來設(shè)定情景E：2020年糧、經(jīng)、草種植比例為41. 3∶45. 3∶13. 4，微灌面積達70%，2025年糧、經(jīng)、草比例達41∶40∶19，微灌面積達100%。

總的來說，2000年后揚州市水環(huán)境總體生態(tài)安全預(yù)警狀態(tài)逐年好轉(zhuǎn)，警情有所緩解，從評價結(jié)果來看，揚州市水環(huán)境生態(tài)安全的狀態(tài)評價值有下降趨勢，經(jīng)濟社會發(fā)展以及自然水環(huán)境條件的下降是揚州市水環(huán)境生態(tài)安全的主要警源。雖然揚州市采取了積極的措施，但是目前還不能完全恢復(fù)水環(huán)境的生態(tài)功能，受外界干擾后容易惡化。

式中，σz為深度為z米處回填區(qū)域截面；txy為σz區(qū)域內(nèi)各單元面積的溫度值；V為整個回填區(qū)域體積；txyz為V區(qū)域體內(nèi)各單元體積的溫度值，T0為巖土初始溫度值。

2 模型計算及分析

同種回填工況下，同半徑處不同深度的巖土恢復(fù)初始溫度的最大溫差出現(xiàn)在出水管壁處，為1.2～1.4℃。考慮到豎向的巖土初始過余溫差不是很大，在最初共24h的運行與恢復(fù)時間段內(nèi)，同半徑處不同深度的巖土溫度恢復(fù)情況基本相同，選取了深度為25m的典型平面作為半徑方向溫度恢復(fù)的研究對象［4，17］。深度25m 處，3種回填工況在恢復(fù)期的巖土過余溫度如表3、圖2所示。

把試卷中三種題型實際難度做為自變量(第一大題為x1，第二大題為x2，第三大題為x3)，整卷的實際難度做為因變量y，通過標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化，然后建立多元回歸分析模型，基于表1數(shù)據(jù)可以得到三個自變量的回歸系數(shù)(P值)為0.331(P<0.001)、0.239(P<0.001)和0.62(P<0.001).

圖2 深度25m處不同回填工況巖土溫度分布

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，停機時刻，3種回填工況在深度25m處的熱擴散影響半徑均為r＝0.1～0.5m，近管壁處（管壁至r＝0.1m）的巖土過余溫度均在停機時刻達到了最大值。與工況1相比，工況2在回填孔壁及其以內(nèi)巖土區(qū)域的溫度上升了近3.5℃，而r＝0.1m處的巖土溫度略有下降。這表明位于孔壁處的1mm厚空氣層把由內(nèi)而外擴散的熱量阻隔在鉆孔內(nèi)，使得回填孔壁以內(nèi)的巖土溫度上升，不能有效的將輸入熱量向孔壁外的大地進行傳熱。類似的，與工況1相比，由于空氣層存在于進、出水管壁處，工況3在此處的溫度上升了近8.5℃，換熱器管壁與回填物之間存在的空氣層導(dǎo)致?lián)Q熱器無法有效的與大地進行換熱。

表3 深度25m處恢復(fù)工況下不同半徑處巖土過余溫度 ℃

巖土溫度恢復(fù)的最初3h內(nèi)，溫度下降較快，尤其是工況2的回填孔壁內(nèi)區(qū)域以及工況3的管壁區(qū)域。這是因為在恢復(fù)初期，溫度較高的巖土區(qū)域存在較大的溫度梯度，使得傳熱速度加快。隨著恢復(fù)的進行，3種回填工況巖土溫度恢復(fù)的速度大幅減小，并在恢復(fù)9h后基本趨于一致。

相反的，停機后3種回填工況在r＝0.5m處的巖土溫度卻略微上升，近管壁處的熱量以不穩(wěn)定狀態(tài)從靠近埋管的區(qū)域轉(zhuǎn)移到了靠近遠邊界的巖土，形成了蓄熱。而r＝1.0m、1.5m處的巖土溫度仍然保持初始溫度，說明在運行和恢復(fù)總共24h內(nèi)，r＝0.5m以外的巖土幾乎沒有受到熱擴散的影響。

1）埋管內(nèi)液體的流速在徑向上均勻一致（忽略重力對流速的影響）；

圖3 深度25m處不同回填工況巖土平均過余溫度

從工況2與工況1的對比分析可知，由于工況2存在孔壁空氣層，導(dǎo)致熱量積累集中在孔洞中，使得孔洞內(nèi)的初始平均過余溫度高于工況1（兩者分別為8.97、5.39℃）?；謴?fù)開始后，工況2的平均過余溫度始終高于工況1，在恢復(fù)前6h內(nèi)，溫度下降速度較快，9h后兩者的平均過余溫度基本趨于一致（0.80℃左右）。

工況3與工況1相比，由于熱源熱量集中在進、出水管壁附近，相同情況下通過管壁傳導(dǎo)到孔洞回填材料中的熱量比工況1少，因此，孔洞內(nèi)的初始平均過余溫度低于工況1（兩者分別為5.15、5.39℃）。但在恢復(fù)開始后，由于積聚在管壁附近的熱量得到迅速擴散，使得工況3的平均過余溫度下降的速度比工況1慢。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，從恢復(fù)后0～3h間的某個時刻起，工況3的平均過余溫度略高于工況1，6h后兩者的平均過余溫度基本趨于一致。

草兒的到來，使牧兒終于結(jié)束了二十多年的單身生活，使得幾間空落落的破舊的屋子里有了色彩，如一朵毫無生機的花兒，重放光彩。草兒買回了油光紙，把墻壁，頂棚糊了，房子就亮堂起來。草兒把牧兒的衣服洗得干干凈凈，疊放得整整齊齊。被子里外都洗了，疊得有棱有角。鞋子洗干凈了，整整齊齊地放在床下。家具、鋤頭也整整齊齊地放好了。往日散亂的一切整齊了，往日臟的一切干凈了。屋子里似變了一個環(huán)境，讓牧兒感到無比歡喜，他臉上洋溢著幸福，充滿了朝氣。

工況2與工況3相比，前者的空氣層包圍了整個平均過余溫度的計算區(qū)域；而后者的空氣層只是計算區(qū)域中靠近管壁處的一部分，由于空氣層的熱阻效應(yīng)，介于空氣層與孔壁之間的其他計算區(qū)域吸收的熱量較工況2少。故工況2的平均過余溫度始終高于工況3。

由式（15）計算得出了豎向80m回填孔洞體積內(nèi)的巖土平均過余溫度，如表4所示。通過與深度25m處回填孔洞平面的巖土平均過余溫度比較發(fā)現(xiàn)，兩者的數(shù)值相差在±2%以內(nèi)，說明在土壤溫度恢復(fù)的15h內(nèi)，深度25m處的回填土壤溫度變化情況與整個回填體積內(nèi)的土壤溫度變化情況相接近。

表4 深度25m處回填孔洞平面（＊）與豎向80m回填孔洞體積（＊＊）的巖土平均過余溫度 ℃

3 計算模型與實際運行工況的對比

3.1 實際工程情況

根據(jù)重慶某公司的巖土源熱泵地下?lián)Q熱器熱響應(yīng)實驗，該埋管深50m，鉆孔直徑130mm，冷負荷為恒定的2.092kW，流量0.82m3／h，地埋管初始進水溫度為21℃。經(jīng)測試，巖土初始地溫為20℃左右，地面10m以下地溫豎向分布基本一致。巖土及材料的熱物性參數(shù)與筆者計算情況相接近。根據(jù)施工的情況，其回填狀況與筆者計算假設(shè)中的工況2接近。實驗按照上述負荷、流量的單U埋管連續(xù)運行9h，停機恢復(fù)15h。

3.2 計算結(jié)果對比

假設(shè)一個該實驗工況對應(yīng)的數(shù)值計算條件，則此數(shù)值計算條件與數(shù)值計算條件相比［18］：1）兩者是同類現(xiàn)象；2）同屬非穩(wěn)態(tài)對流換熱，各物理量隨時間變化趨勢相同，其他幾何條件、邊界條件及物理條件都分別成比例，故單值性條件相似已得到滿足；3）兩者同名的已定準(zhǔn)則Nu＝f（Re，Pr）相等。故可得兩個現(xiàn)象的流動及換熱相似，可將該實驗的實測結(jié)果與計算結(jié)果相比較。

學(xué)生在掌握有一定寫作素材后，緊跟著需要學(xué)習(xí)有關(guān)作文方面的技巧。例如：作文開頭方式可以為欲揚先抑、開門見山、排比反復(fù)、設(shè)問開篇、倒敘開頭等；結(jié)尾技巧有凸顯主旨式、首尾呼應(yīng)式、升華主題式等。技巧很多，也很零散，學(xué)生在寫作時不需要全部應(yīng)用，只需要做到學(xué)以致用，在有些時候能為文章添加點綴。最后，學(xué)生要懂得謀篇布局，審題、立意、選材，一篇好作文即可完成。

實驗及數(shù)值計算的地埋管進、出水水溫如圖4所示。在實際運行的前4h，系統(tǒng)處于向穩(wěn)定運行的過渡期，在運行4h后，實驗結(jié)果與工況2的數(shù)值計算結(jié)果相接近，兩者的誤差小于±7%。實驗進、出水最終溫度為32.5、30.5℃，回填工況2的進、出水溫度分別為34.3、30.8℃，兩者吻合的較好。

圖4 實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的埋管進、出水溫度比較

4 結(jié)論

1）在計算條件下，回填孔壁處的空氣間隙對土壤溫度恢復(fù)性能影響較大，降低了地埋管的換熱性能，與回填密實工況相比，回填孔壁及其以內(nèi)巖土區(qū)域的初始過余溫度上升了約3.5℃，巖土平均過余溫度在恢復(fù)初始時上升了3.6℃，在恢復(fù)期的前6h明顯高于回填密實工況。與回填密實工況相比，進、出水管壁處的空氣間隙使得管壁處巖土的初始過余溫度上升了約8.5℃，管壁空氣間隙對運行時地埋管的進、出水溫度影響較大。建議采用間歇運行的模式來保證運行后較低的土壤過余溫度。

當(dāng)然，產(chǎn)假制度也有其消極影響。一方面，對于企業(yè)來說，員工休產(chǎn)假會打亂企業(yè)平常的節(jié)奏，企業(yè)還要承擔(dān)部分因員工產(chǎn)假而導(dǎo)致的工作調(diào)動、繳納社保、工資等費用。另一方面，對于女職工自身而言，她們會因為休產(chǎn)假而長期脫離工作崗位，可能存在著影響個人晉升與職業(yè)長期發(fā)展的擔(dān)憂。公司和員工在產(chǎn)假這個問題上進行博弈，由于雇主擁有權(quán)力和信息方面的絕對優(yōu)勢，可以通過釋放一些模棱兩可的信息和隱晦的威脅，從而對員工產(chǎn)生壓力并且在實際操作中變相降低她們的收入等。

2）數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果相比較，實驗中單U地埋管的換熱性能與數(shù)值計算回填孔壁處存在空氣間隙的狀況下的換熱性能相接近，說明該數(shù)值計算方法可以應(yīng)用于不同回填工況下的地埋管傳熱計算。

3）由于巖土溫度向巖土初始溫度的恢復(fù)速率不一致，前期恢復(fù)時間較短，而到接近初始地溫階段，恢復(fù)時間較長，故需要合理的恢復(fù)時間來保證地埋管的換熱能力。

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