土壤凍結(jié)作用下地埋管換熱器的傳熱特性*

0 引言

嚴(yán)寒地區(qū)冬季建筑熱負(fù)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(yùn)行導(dǎo)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(dǎo)致地埋管側(cè)土壤大范圍凍結(jié)[2]。因此，探究土壤凍結(jié)作用下地埋管換熱器的傳熱機(jī)理具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地埋管換熱器與土壤間換熱的影響因素進(jìn)行了大量研究。Shang等人利用多孔介質(zhì)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(xué)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(yù)測(cè)不同溫度下土壤導(dǎo)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(píng)價(jià)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(duì)土壤凍結(jié)特性的影響[7]?；魝I(yè)等人采用控制變量法分析了GHE入口流體溫度對(duì)土壤凍結(jié)程度的影響[8]。Zhang等人建立了地源熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)，分析了埋管間距對(duì)土壤凍結(jié)時(shí)間的影響[9]。Li等人對(duì)鉆孔內(nèi)回填材料進(jìn)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(qiáng)等人對(duì)GHE低溫取熱工況中土壤凍結(jié)鋒面的平均移動(dòng)速度進(jìn)行了研究，最高移動(dòng)速度可達(dá)1.82 mm/h[11]。

綜上所述，相關(guān)學(xué)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(duì)土壤凍結(jié)作用下GHE換熱機(jī)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同土壤初始含水量、孔隙率對(duì)埋管側(cè)土壤凍結(jié)范圍、埋管自身換熱性能及熱泵機(jī)組COP的影響進(jìn)行研究。本文研究結(jié)果可為探究土壤凍結(jié)作用下地埋管換熱器傳熱機(jī)理及嚴(yán)寒地區(qū)地埋管地源熱泵技術(shù)的推廣提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

低溫工況實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖見圖1。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jī)組供能系統(tǒng)、土壤溫濕度測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)裝置主要由地埋管換熱器、熱泵機(jī)組、控溫水箱、砂箱、熱電偶、水泵、壓力表、流量計(jì)、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(dòng)對(duì)土壤溫度的影響。

圖1 地埋管低溫取熱工況實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖

具體實(shí)驗(yàn)流程為：

1) 分多次多區(qū)域進(jìn)行土壤取樣，采用浸蠟法測(cè)量樣品孔隙率，按實(shí)驗(yàn)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(shí)土壤并安裝測(cè)量儀器；

3) 對(duì)土壤試樣含水量及溫度進(jìn)行標(biāo)定；

4) 打開循環(huán)水泵，進(jìn)行地埋管換熱器低溫工況換熱實(shí)驗(yàn)；

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(jì)算后續(xù)研究所需的參數(shù)并備份；

6) 重復(fù)4)、5)，直至實(shí)驗(yàn)涉及到的全部工況均完成，整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

本文主要討論土壤凍結(jié)作用下地埋管換熱器的傳熱機(jī)理，由于土壤凍結(jié)是土壤中水分在0 ℃下相變引起的，因此文中著重對(duì)土壤含水量進(jìn)行分析。在嚴(yán)寒地區(qū)的惡劣氣象條件影響下，文獻(xiàn)[12]指出黑龍江近50 a的土壤凍結(jié)平均深度為1 743 mm，凍土層厚度可達(dá)2 089 mm處，因此本次實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)大于自然條件影響下的凍土層厚度，由此可見，埋管側(cè)周圍土壤的凍結(jié)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(xué)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(jìn)口溫度為-8 ℃的工況下，埋管側(cè)周圍土壤可在24 h內(nèi)由未凍結(jié)狀態(tài)發(fā)展為完全凍結(jié)狀態(tài)；在埋管進(jìn)口溫度為-2 ℃的工況下，埋管側(cè)周圍土壤不會(huì)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象[13]。為此，在實(shí)驗(yàn)過程中，筆者以埋管進(jìn)口溫度為-8 ℃控制土壤漸凍過程，進(jìn)而分析土壤凍結(jié)過程中含水量對(duì)地埋管換熱器換熱的影響。本文對(duì)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(jìn)行分析討論；沙箱內(nèi)埋管材質(zhì)為紫銅，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)要求的質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

土壤溫度和含水量采用ECH2O系列5TE傳感器進(jìn)行測(cè)量，該傳感器可測(cè)量土壤溫度(土壤溫度范圍：-40～60 ℃；分辨率：0.1 ℃；準(zhǔn)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(zhǔn)確度：±1(εa=1～40)，±15%(εa=40～80))、體積含水量(分辨率：0.1%；準(zhǔn)確度：±3%)。盡管利用介電常數(shù)通過Topp公式[14]計(jì)算土壤含水量有溫度要求，但通過對(duì)ECH2O系列傳感器進(jìn)行標(biāo)定仍可準(zhǔn)確測(cè)出土壤溫度和含水量[15]。采用浸蠟法測(cè)量土壤孔隙率，從地下取出適量土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，浸入石蠟后迅速取出再放入盛滿適量水的量筒中，同時(shí)記下此時(shí)量筒的讀數(shù)，隨后用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，記下攪拌后的量筒讀數(shù)，由此計(jì)算出樣品孔隙率。在分析孔隙率對(duì)換熱器換熱的影響時(shí)，分多次多區(qū)域進(jìn)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(jìn)行研究。數(shù)據(jù)采集器采用Em50數(shù)據(jù)采集器，每5個(gè)5TE傳感器連接1個(gè)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(cè)較劇烈，土壤溫度梯度較大，進(jìn)而在換熱器附近進(jìn)行測(cè)點(diǎn)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(jìn)出口處布置同樣的溫度傳感器。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。砂箱頂、底部布置加熱盤管用于保證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)要求的土壤含水量。

圖2 砂箱內(nèi)傳感器測(cè)點(diǎn)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(jì)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(jìn)口溫度，K。

1.2.2.2熱泵機(jī)組COP

機(jī)組COP的計(jì)算式為

(2)

式中Q2為熱泵機(jī)組制熱量，W；W為機(jī)組內(nèi)壓縮機(jī)功耗，W。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況標(biāo)定

在進(jìn)行土壤凍融作用下地埋管換熱器傳熱機(jī)理研究前，需對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行標(biāo)定，確保實(shí)驗(yàn)裝置各處參數(shù)條件與實(shí)驗(yàn)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(duì)5種土壤含水量工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，并對(duì)數(shù)據(jù)采集器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究結(jié)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(biāo)定土壤含水量后的砂箱內(nèi)對(duì)土壤溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)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(diǎn)，在標(biāo)定土壤溫度時(shí)同樣分別針對(duì)5種含水量工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)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(shí)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果。從圖3可以看出，按本文提出的實(shí)驗(yàn)工況要求對(duì)砂箱內(nèi)土壤溫度及含水量進(jìn)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(dá)到了穩(wěn)定。

圖3 實(shí)驗(yàn)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(jié)過程中含水量對(duì)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(diǎn)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(jié)區(qū)域有明顯差異。土壤含水量為0時(shí)，其凍結(jié)區(qū)域可外延至距鉆孔中心170 mm處；當(dāng)土壤含水量為20%時(shí)，其凍結(jié)區(qū)域可外延至距鉆孔中心120 mm處；而當(dāng)土壤含水量增大到40%時(shí)，其凍結(jié)區(qū)域僅外延至距鉆孔中心60 mm處，也就是凍結(jié)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(chǔ)存熱量的能力是土壤的近2倍，而土壤處于凍結(jié)過程中時(shí)，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(jié)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(cè)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(bǔ)，進(jìn)而隨著土壤含水量的增大其凍結(jié)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(shí)間的變化。由圖5可以看出：隨著時(shí)間的推移，土壤初始含水量越大，埋管出口溫度越高；當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器低溫取熱工況達(dá)到穩(wěn)定后，土壤初始含水量由0增大到40%時(shí)，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(shí)，土壤導(dǎo)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(jié)范圍變大，土壤遠(yuǎn)處熱量很難傳遞到埋管側(cè)，致使與埋管內(nèi)循環(huán)流體進(jìn)行換熱的土壤溫度降低，換熱效果變差。盡管土壤凍結(jié)后的導(dǎo)熱系數(shù)較凍結(jié)前小，但因土壤導(dǎo)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(cè)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(shí)，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(shí)間的變化

2.2 土壤凍結(jié)過程中孔隙率對(duì)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(duì)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(dāng)土壤初始含水量由0增大到10%時(shí)，0.16、0.38、0.47 3種孔隙率下，對(duì)應(yīng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)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(dāng)土壤含水量較低、孔隙率及自身導(dǎo)熱系數(shù)較小時(shí)，由于溫差導(dǎo)致的水分遷移程度受到抑制。相反，當(dāng)土壤孔隙率較大時(shí)，土壤滲透系數(shù)變大，水分遷移過程受到的阻力相對(duì)減小，促使遠(yuǎn)處土壤的熱量向埋管側(cè)土壤傳遞，進(jìn)而提高了埋管側(cè)土壤溫度，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱量提升。但土壤孔隙率較大對(duì)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(shí)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(duì)換熱量的影響

2.3 土壤凍結(jié)對(duì)機(jī)組運(yùn)行性能的影響

圖7顯示了不同含水量下土壤孔隙率對(duì)熱泵機(jī)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(jī)組COP提高；當(dāng)土壤初始含水量由0增大到10%時(shí)，0.16、0.38、0.47 3種土壤初始孔隙率下對(duì)應(yīng)的機(jī)組COP分別提高了6.5%、10.0%、11.5%；含水量由10%增大到20%時(shí)，機(jī)組COP分別提高了10.2%、7.6%、6.9%；含水量由20%增大到30%時(shí)，機(jī)組COP分別提高了7.4%、3.0%、1.6%；含水量由30%增大到40%時(shí)，機(jī)組COP分別提高了3.1%、1.6%、1.3%。由此可以看出，敷設(shè)換熱器處的土壤初始孔隙率對(duì)機(jī)組COP有一定程度的影響。與此同時(shí)，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(shí)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(yùn)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(duì)熱泵機(jī)組COP的影響

3 結(jié)論

1) 在地埋管換熱器低溫取熱工況下，土壤含水量較低時(shí)，地埋管換熱器側(cè)土壤凍結(jié)范圍較大，土壤初始含水量為0～40%時(shí)，隨著含水量的增大，埋管側(cè)土壤凍結(jié)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(duì)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(shí)，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(shí)，總換熱量最高可提升5.6%。埋管側(cè)土壤含水量由0增大到10%時(shí)，孔隙率對(duì)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(shí)，孔隙率對(duì)提升二者換熱量的影響程度最小。因此，土壤初始孔隙率對(duì)低溫工況取熱影響是有限的。

3) 嚴(yán)寒地區(qū)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑進(jìn)行供暖時(shí)(即換熱器低溫工況運(yùn)行時(shí))，會(huì)導(dǎo)致埋管側(cè)土壤溫度下降且降幅明顯。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)采用該項(xiàng)節(jié)能技術(shù)時(shí)，需引入其他可再生能源輔助其供暖，以抑制地埋管長時(shí)間對(duì)土壤取熱引起的地下土壤溫降趨勢(shì)的發(fā)展。