土壤含水率及滲流對(duì)土壤源熱泵影響研究進(jìn)展

段 妍 晉 華，2 劉 虎，2

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.太原理工大學(xué)水資源與環(huán)境地質(zhì)研究所，山西 太原 030024)

地源熱泵是一種能夠利用淺層低溫地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能熱泵系統(tǒng)。土壤源熱泵是地源熱泵的一種，它利用地表淺層土壤儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。國(guó)土資源部2009年～2011年的最新評(píng)價(jià)顯示，中國(guó)淺層地溫能資源量相當(dāng)于95億t標(biāo)準(zhǔn)煤，每年淺層地溫能可利用資源量相當(dāng)于3.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤。土壤源熱泵憑借其環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在近些年獲得國(guó)家的明確支持和大力推廣。根據(jù)《太原市國(guó)家可再生能源示范城市實(shí)施方案》2010年～2011年太原市土壤源熱泵技術(shù)應(yīng)用建筑面積從44.74萬(wàn)m2增加到81.52萬(wàn)m2，占示范任務(wù)的比例由17.42%上升到30.24%。由于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)等測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值偏差過(guò)大的現(xiàn)象，如美國(guó)明尼蘇達(dá)州的現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試[1]及英國(guó)一棟辦公樓夏季的管內(nèi)流體平均溫度測(cè)試[2]，使得水文地質(zhì)因素對(duì)土壤源熱泵地埋管換熱器換熱能力的影響逐漸引起研究人員的關(guān)注。本文著重介紹含水率和滲流兩個(gè)水文地質(zhì)因素對(duì)地埋管換熱器換熱能力影響的研究進(jìn)展。

1 含水率對(duì)地埋管換熱能力影響的研究

土壤是由固體、液體和氣體三相共同組成的多相體，其中導(dǎo)熱系數(shù)以固體最大約為0.84 W/(m·℃)～2.5 W/(m·℃)，其次是土壤水分約為0.5 W/(m·℃)，氣體的最小僅為0.021 W/(m·℃)。因此土壤含水率的大小對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)起決定作用，直接影響地埋管換熱器的換熱能力。作為影響地埋管換熱器換熱性能的重要因素，不同的研究人員從實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬兩方面對(duì)土壤含水率進(jìn)行了研究。其中，張玲等[3]在杭州高教園區(qū)搭建土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用探針?lè)y(cè)試出不同干密度的土壤導(dǎo)熱系數(shù);張旭等[4]同樣利用探針?lè)?，?duì)純土、純砂、土砂1∶2混合物、土砂2∶1混合物四種工況進(jìn)行測(cè)試;劉宇[5]建立導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置并與SEI-3型熱物性測(cè)定儀同時(shí)測(cè)量土、水、砂土8種比例混合物的熱物性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均顯示土壤導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率的增大而增大。楊睿[6]采用非平衡熱力學(xué)理論，建立一維瞬態(tài)熱濕遷移模型，模擬了不同含水率對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明含水率較高的土壤中心溫度較小，熱作用半徑隨著土壤含水率的增大而減小。

2 滲流對(duì)地埋管換熱能力影響的研究

垂直地埋管換熱器管段大部分深埋于地下水位線以下的土壤飽和區(qū)內(nèi)，在其穿透的地層中或多或少都存在著地下水滲流，尤其是在沿?；虻叵滤S富的地區(qū)甚至有地下水的流動(dòng)[7]。目前地埋管換熱器的傳熱模型僅考慮了熱傳導(dǎo)過(guò)程，而忽視了地下水流動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)流換熱過(guò)程，導(dǎo)致埋管尺寸設(shè)計(jì)的偏差，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此研究地下水滲流對(duì)地埋管換熱器換熱能力的影響尤為重要，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)滲流影響進(jìn)行了研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究方面具有代表性的是哈爾濱工程大學(xué)，其通過(guò)將地埋管換熱器概化為一根電加熱器模擬線熱源，在達(dá)西定律基礎(chǔ)上搭建了可以模擬地下水流動(dòng)的土壤源熱泵砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)。其中姚楊、李斌[8，9]研究了地下水滲流速度以及相對(duì)于地埋管位置的滲流方向?qū)ν寥罍囟葓?chǎng)的影響，結(jié)果表明滲流速度越大地埋管周圍溫度越低;地下水滲流對(duì)上游溫度的升高起阻礙作用，阻礙作用隨熱負(fù)荷的增加而增強(qiáng);地下水滲流對(duì)下游溫度的升高起促進(jìn)作用，促進(jìn)作用隨熱負(fù)荷的增加而增強(qiáng);地埋管的中心位置受滲流的影響最小，垂直于滲流方向的溫度變化較小。范蕊等[7]分別研究了無(wú)滲流土壤、飽和土壤、有滲流土壤中地埋管換熱器熱負(fù)荷對(duì)其周邊土壤溫度場(chǎng)的影響，得出在夏熱冬冷地區(qū)或亞熱帶地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵時(shí)，可將地埋管換熱器埋設(shè)在地下水流速較大地區(qū)，有助于土壤源熱泵的長(zhǎng)期良好運(yùn)行。因此，地下水滲流可避免周圍的能量累積效應(yīng)，有利于提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。此外馮琛琛等[10]也通過(guò)建立地源熱泵砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得出地下水滲流可以強(qiáng)化地埋管換熱的結(jié)論。另外，隨著滲流速度的增大，溫度場(chǎng)最高值的位置沿滲流方向向下游偏移，因此在管群布置時(shí)，應(yīng)增大下游埋管間距，以利于埋管的換熱。劉東林[11]布設(shè)U形管群進(jìn)行干砂及飽和砂換熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示相同時(shí)間內(nèi)飽和砂狀態(tài)下產(chǎn)生的溫度場(chǎng)范圍明顯小于干砂狀態(tài)，換熱效率高于干砂，有利于地埋管換熱。

2.2 數(shù)值模擬

考慮到地下水滲流對(duì)土壤源熱泵的影響，研究人員在線源理論、柱源理論、能量守恒的基礎(chǔ)上耦合達(dá)西定律等滲流方程建立熱滲耦合的傳熱模型。梁月明等[12]以沈陽(yáng)市植物園為例，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算繪制了不同滲流速度下三種風(fēng)化程度的花崗混合片麻巖地層等溫線，確定當(dāng)?shù)氐叵滤疂B流對(duì)地埋管實(shí)際影響程度。范蕊等[13]采用整場(chǎng)離散、整體求解方法，求得冬、夏季工況下管內(nèi)流體、地埋管換熱器及周圍土壤的溫度場(chǎng)數(shù)值解。王金香等[14]建立了U形地埋管換熱器管內(nèi)流體以及周圍土壤熱滲耦合模型，采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。均得出結(jié)論:滲流能夠增強(qiáng)地埋管換熱器的傳熱能力，選擇地下水滲流速度大的地區(qū)有助于土壤源熱泵的長(zhǎng)期良好運(yùn)行;但如果在有滲流的地區(qū)不考慮滲流的影響，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)容量偏大，造成經(jīng)濟(jì)和資源的浪費(fèi)。

刁乃仁[15]、魏晉[16]通過(guò)建立地下水流動(dòng)二維能量方程，分析了地下水滲流對(duì)地埋管換熱器周圍溫度場(chǎng)的影響，得出地下水滲流速度越大，土壤溫度場(chǎng)變形越顯著，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，穩(wěn)態(tài)過(guò)余溫度越低。劉東林[11]建立了單U形地埋管的物理模型，采用軟件Comsol3.5a模擬不同滲流速度下的地埋管溫度場(chǎng)的變形情況，表明地下水滲流速度越大，在平行滲流方向的熱量作用距離越大，在垂直于滲流方向上的熱量作用距離越小，在管群布置時(shí)可適當(dāng)增加平行滲流方向的管間距。

3 存在問(wèn)題及發(fā)展前景

傳統(tǒng)的土壤源熱泵地埋管換熱器傳熱模型，忽略了含水率、地下水滲流等水文地質(zhì)因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的局限性。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬在含水率和滲流對(duì)換熱影響方面進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，但缺乏對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)的綜合考慮，應(yīng)加強(qiáng)不同水文地質(zhì)參數(shù)與土壤熱物性關(guān)系的研究以及工程實(shí)地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。1)目前國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)搭建土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和建立數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬，對(duì)含水率與土壤導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，但土壤的導(dǎo)熱系數(shù)與土壤的成分、溫度、密度、孔隙度、飽和度等因素也有關(guān)，今后可對(duì)其他參數(shù)的變化做深入研究，分析各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，并分別針對(duì)飽和土和非飽和土提出基于上述參數(shù)的計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù)的新方法，為土壤源熱泵的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，保證其建設(shè)的合理性。2)由于認(rèn)識(shí)到地下水滲流對(duì)埋管換熱器的傳熱性能產(chǎn)生重要影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者在模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬兩方面都做了大量研究工作，但目前還沒(méi)有公認(rèn)的表達(dá)地埋管換熱器熱滲耦合傳熱過(guò)程的模型來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐，且已建立的傳熱模型缺少實(shí)地驗(yàn)證。今后可根據(jù)各地區(qū)實(shí)際工程，建立土壤源熱泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行條件下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，確定主要影響因素，以改進(jìn)地埋管換熱器傳熱模型，為土壤源熱泵運(yùn)行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益的最大化提供保障。

[1] Chiasson A D.Advances in modeling of ground-source heat pump systems[D].Oklahoma State University，1999:24-33.

[2] Witte H.J.L，Gelder A.J.V，Serr?o M.Comparison of design and operation of a commercial UK ground source heat pump project[A].1st International Conference on Sustainable Energy Technologies[C].2002.

[3] 張 玲，黃奕沄.粉沙類土壤熱物性數(shù)據(jù)的測(cè)定[J].浙江建筑，2010(2):66-68.

[4] 張 旭，高曉兵.華東地區(qū)土壤及土沙混合物導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào)，2004，34(5):83-89.

[5] 劉 宇.土壤飽和區(qū)熱滲耦合傳熱數(shù)值計(jì)算[D].西安:西安交通大學(xué)，2010.

[6] 楊 睿.含熱源土壤熱濕遷移模擬與埋地?fù)Q熱器實(shí)驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

[7] 范 蕊，馬最良.地下水流動(dòng)對(duì)地下埋管換熱器影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007(8):874-880.

[8] 姚 楊，李 斌.熱滲共同作用下地下?lián)Q熱器的初步實(shí)驗(yàn)研究[A].2006全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2006.

[9] 李 斌.熱滲共同作用下的地下埋管換熱器實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[10] 馮琛琛，王灃浩.地下水滲流對(duì)垂直埋管換熱器換熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2011(4):328-331.

[11] 劉東林.水—熱耦合作用下地埋管換熱特性研究[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2011.

[12] 梁月明，程金明.地質(zhì)層含水對(duì)豎直埋管地?zé)釗Q熱器影響的研究[J].中國(guó)電力教育，2005(S2):104-107.

[13] 范 蕊，馬最良.地下水流動(dòng)對(duì)地下管群換熱器傳熱的影響分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006(11):1155-1162.

[14] 王金香，李素芬.地下含濕巖土熱滲耦合模型及換熱埋管周圍土壤溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008(7):837-841.

[15] 刁乃仁，李琴云，方肇洪.有滲流時(shí)地?zé)釗Q熱器溫度響應(yīng)的解析解[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(3):1-5.

[16] 魏 晉.地下水流動(dòng)對(duì)埋地?fù)Q熱器影響的模擬研究[J].中國(guó)建設(shè)動(dòng)態(tài)(陽(yáng)光能源)，2006(6):36-38.