巖溶地下水滲流-傳熱地埋管試驗平臺的研制及模型試驗

曾召田，劉兆強，徐云山，2，張炳暉，梁 珍

（1.桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118）

0 引言

土壤源熱泵系統(tǒng)（GSHP）利用地埋管換熱器中循環(huán)水與土壤中恒溫地層進行熱量交換，將淺層地熱能提取出來以供建筑物內(nèi)部夏季制冷、冬季供暖，并提供生活熱水，具有清潔、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，近年來在工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著GSHP技術(shù)的推廣應(yīng)用，其設(shè)計、運行過程中出現(xiàn)了一系列問題，如巖土體的“冷熱堆積”[2]、地下水滲流對地埋管換熱效果的影響[3]等。一些學者針對上述問題進行了相關(guān)研究，但是目前GSHP技術(shù)在廣西巖溶地區(qū)的應(yīng)用尚處于初步階段[4]，主要原因在于該地區(qū)具有復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件和豐富的巖溶地下水滲流。以桂林巖溶區(qū)為例，紅黏土（特殊土）分布廣泛[5]，且該地巖溶地下水比較豐富，降雨時伴有明顯的地下水流動[4]。由于巖溶地下水主要流經(jīng)石灰?guī)r和砂礫層，賦存和運移于巖溶管道和巖溶裂隙內(nèi)，因此不同類型地下水滲流速度的差異也比較明顯[6]。一般來說，GSHP豎埋管換熱器埋深較大，穿越地層較多，且大部分管段位于飽水帶[7]。在飽和滲流區(qū)內(nèi)，土壤熱量傳遞是一個熱傳導(dǎo)和滲流換熱并存的復(fù)雜耦合過程，導(dǎo)致土壤源熱泵在巖溶地區(qū)實際工程中應(yīng)用較為困難。因此，亟需開展巖溶地下水滲流對豎埋管換熱器傳熱性能影響的相關(guān)研究。

目前，國內(nèi)外學者分別從模型試驗、原位試驗和數(shù)值模擬等方面對滲流條件下地埋管的傳熱效能進行大量研究。鄭川[8]通過一維模型試驗探討了土壤的熱-滲耦合效應(yīng)。邵駿鵬[9]、Alberto[10]分別建立可模擬地下水流動的土壤源熱泵砂箱實驗臺，研究了地下水滲流對地埋管換熱性能的影響。曾召田[4]在地源熱泵現(xiàn)場實測了巖溶地下水位的季節(jié)性變化情況，但未實際分析滲流對地埋管換熱 效 果 的 影 響。Diao[11]，Molina-Giraldo[12]分 別 建 立了各種理論模型，并對地下水滲流對地埋管換熱性能的影響進行了數(shù)值模擬。然而，上述研究均未針對巖溶地區(qū)特殊的地層條件進行具體試驗，因此，研究結(jié)果不能真實反映出巖溶地下水滲流對地埋管換熱性能的影響。同時，原位試驗存在運行周期長、影響因素多、實際操作難等缺點，數(shù)值模擬雖然簡單、高效，但需要原位試驗或者模型試驗數(shù)據(jù)的支撐和驗證，而模型試驗具有能夠有效控制試驗條件、縮短試驗周期等優(yōu)點，既可實時得到研究參數(shù)的變化規(guī)律，又可為后續(xù)的數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實踐證明模型試驗是上述3類方法中最為行之有效的研究手段。

本文針對桂林地區(qū)典型的巖溶地質(zhì)條件，建立了一個可模擬滲流-傳熱的地埋管試驗平臺。通過不同工況的模型試驗，探討巖溶地下水滲流對地埋管換熱器換熱效果的影響，深化對巖溶地區(qū)地埋管換熱器傳熱性能的認識，為土壤源熱泵在巖溶地區(qū)的實際工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗平臺

圖1為桂林巖溶區(qū)某土壤源熱泵系統(tǒng)平臺示意圖。該平臺地處漓江流域和屏風山山麓間典型的階地地貌，巖溶地下水豐富，滲流明顯。GSHP地埋管穿越了飽和、非飽和地層，或是紅黏土、砂石、石灰?guī)r等不同土質(zhì)地層。

圖1 桂林巖溶區(qū)土壤源熱泵技術(shù)應(yīng)用示意圖Fig.1 Application diagram of GSHP technology in Guilin karst area

針對上述水文地質(zhì)條件，本文建立了巖溶地下水滲流-傳熱耦合地埋管試驗平臺，如圖2所示。主要包括試驗土箱、地埋管換熱模擬系統(tǒng)、滲流系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分。

圖2 巖溶地下水滲流-傳熱耦合地埋管試驗平臺Fig.2 Buried heat pump test platform of karst groundwater seepage-heat transfer coupling effect

圖3為溫、濕度傳感器布置詳圖。土層填筑高度控制在距箱底1.5m處，預(yù)留10cm以便土樣擊實。為了系統(tǒng)監(jiān)測換熱銅管和周圍土體的溫、濕度，在豎向中軸面上布設(shè)7層溫度傳感器，在距箱底600mm處的水平面上交叉布置40支溫度傳感器，可對同一水平層位進行密集監(jiān)測。為確保溫、濕度傳感器精確定位，輔以膠布、綁扎帶、鋼筋條、亞克力條固定，定位誤差控制在±2mm以內(nèi)。

圖3 傳感器布置圖Fig.3 Layout diagram of sensors

2 模型試驗方案

2.1 試驗方案

桂林巖溶區(qū)的典型地層為上覆紅黏土+裂隙石灰?guī)r（巖溶發(fā)育）+完整石灰?guī)r，紅黏土和完整石灰?guī)r中滲透系數(shù)低，巖溶地下水滲流一般不顯著，滲流一般發(fā)生在裂隙石灰?guī)r中，即形成巖溶地下水滲流。而對于室內(nèi)模型試驗而言，采用天然的裂隙石灰?guī)r進行箱體土層填筑具有相當大的困難。根據(jù)巖溶地下水的滲流速度變化范圍[4]，本文采用桂林廣泛分布的河砂代替裂隙石灰?guī)r，河砂采購于桂林市某砂場，經(jīng)篩分試驗確定為中砂。上覆土層采用桂林紅黏土，取自桂林市雁山鎮(zhèn)廣西師范大學新校區(qū)內(nèi)，呈褐紅色，天然含水率為27.5%。

通過室內(nèi)土工試驗獲取了中砂和紅黏土的基本物理性質(zhì)指標，如表1所示。

表1 中砂和紅黏土的基本物理性質(zhì)指標Table1Basic physical property indexes of medium sand and lateritic clay

試驗箱體內(nèi)巖溶地下水滲流區(qū)為飽和砂土層（干密度1.7g/cm3，含水率21.1%），厚度為800 mm，非飽和區(qū)為紅黏土層（初始干密度1.3g/cm3，含水率26.7%），厚度為700mm。整個土層表面均做絕熱處理，室內(nèi)溫度始終保持在20℃。

為研究巖溶地下水滲流對地埋管換熱的影響，本文按夏季制冷GSHP運行模式分別進行了4個工況的模型試驗。設(shè)置箱內(nèi)土體和地下水的溫度為20℃，換熱銅管內(nèi)入水溫度設(shè)置為35℃，控制地下水滲流的水頭差分別為0，5，10，15cm，對應(yīng)的水力梯度約為0，0.04，0.08和0.12。具體試驗概況見表2。

表2 考慮有無滲流影響的模型試驗概況Table2Model tests with or without seepage influence

2.2 試驗過程

以表2中工況IV為例，具體試驗過程如下。

制備土樣：將取回的紅黏土樣風干、碾散、過5mm篩，利用噴霧法配制含水率為26.7%的濕土樣，密 封 靜 置5d，確 保 土 樣 水 分 均 勻，如 圖4（a）。由于砂土層位于飽和區(qū)，可通過滲流進行飽和。

分層擊實：根據(jù)既定的土層體積、含水率和干密度，稱取一定質(zhì)量潤濕均勻后的土樣，倒入試驗土箱內(nèi)，采用分層擊實法將土樣擊至目標干密度和層位，共分15層擊實，每層厚度為100mm，如圖4（b）。

埋設(shè)傳感器：為確保傳感器間相對位置不隨擊實過程發(fā)生變化，先將傳感器固定在鋼筋上，如圖4（c），按 預(yù) 設(shè) 的 布 置 位 置（圖3）進 行 埋 設(shè)。

密封、保溫處理：土層填筑完后，用塑料膜將土箱密封好，防止試驗過程中土箱內(nèi)水分流失，如圖4（d）。

開啟滲流系統(tǒng)：將上游水箱的溢流孔和下游水箱對應(yīng)水頭差高度處的出水孔閥門打開，隨后以恒定流量向箱體底部進行注水，待溢流孔和出水孔出水量穩(wěn)定，即滲流場已穩(wěn)定，如圖4（e）。

設(shè)置換熱銅管入水（熱源）溫度：將水箱溫度調(diào)至目標值，待溫度達設(shè)定值且恒定，如圖4（f）。

調(diào)試自動采集設(shè)備：將傳感器、采集器和電腦連接調(diào)試好，設(shè)置溫度采集間隔為0.5h，同時設(shè)置好自動采集開始時間，如圖4（g）。

開始試驗：確保滲流場和恒溫水箱循環(huán)水溫度達到穩(wěn)定，再打開恒溫循環(huán)水箱外循環(huán)的閥門，使恒溫循環(huán)水流進換熱銅管與土層進行熱交換，如 圖4（h）。

圖4 模型試驗過程Fig.4 Model test process

3 結(jié)果與討論

圖5反映了制冷模式，不同滲流速度下?lián)Q熱銅管周圍土體溫度隨運行時間的變化趨勢。

圖5（a）～圖5（d）分 別 表 示 圖3中 測 點4-1～4-12在 滲 流 速 度 為0，3.59×10-6，7.94×10-6，1.08×10-5m/s下?lián)Q熱銅管周圍土體溫升曲線。

由圖5（a）可知，在換熱銅管對土層加熱過程中，換熱銅管附近各測點（如4-5，4-8）的溫度先急劇增加后漸漸變緩并趨于穩(wěn)定不變，但是在距離換熱銅管（熱源）較遠處，由于熱量擴散的滯后作用，土壤溫度一直處于不斷上升階段（溫度變化幅度也較?。?。距離換熱銅管（熱源）越近，土壤初始階段的溫升越顯著。加熱相同時間下，在離換熱銅管相同距離右側(cè)測點（4-1～4-5）的溫升稍大于左側(cè)，這是因為換熱銅管左、右支分別為入、回水端，對土層進行加熱時，銅管右支的溫度要稍微大于左支。

圖5 不同滲流速度下?lián)Q熱銅管周圍土體溫度隨運行時間的變化曲線Fig.5 Change curves of soil temperature around the heat exchanger copper tube with running time under different seepage velocities

由 圖5（b）～圖5（d）可 知，滲 流 作 用 下，上 游各測點（4-8～4-12）的溫升明顯小于下游各測點（4-1～4-5）。而 且，滲 流 速 度 越 大，上 游 土 層 溫 升達到穩(wěn)定后的數(shù)值越大，下游土層溫升的穩(wěn)定值反而越小。以左測點4-5和右測點4-8為例，在滲 流 速 度3.59×10-6，7.94×10-6，1.08×10-5m/s下，測點4-4最終溫升分別為8.3，8.4，9.9℃，測點4-9最終溫升分別為4.9，2.7，3.3℃。由此可見，滲流對管-土換熱系統(tǒng)影響顯著，可將上游側(cè)熱量攜帶至下游，促進了換熱銅管釋放的熱量向下游傳遞的同時，也抑制了熱量向上游的傳遞，可有效減弱換熱銅管周圍土層的熱量堆積。對比圖5（a）和5（d）可發(fā)現(xiàn)，滲流作用下，換熱銅管周圍土層溫度場達到穩(wěn)態(tài)時間明顯減小，表明滲流作用可促使土層溫度場更快達到穩(wěn)態(tài)，這是因為滲流加快了土層內(nèi)熱量的傳遞，即加快了地埋管與土層間的換熱速度。

根據(jù)能量守恒原理可知，地埋管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)等效為周圍土層熱量的變化，據(jù)此可依據(jù)土層周圍溫度場的變化量來近似估算地埋管換熱量的大小，定義地埋管換熱量QE為

式中：m為埋管周圍土層的質(zhì)量；C為比熱容；ΔTsoil為溫度變化量。

據(jù)此可估算出滲流作用對地埋管換熱量的影響，當?shù)芈窆軗Q熱100h時，無滲流條件下整個土層的溫度變化量（近似取所有測點的平均值）為4.73℃，而滲流速度為1.08×10-5m/s時整個土層的溫度變化量為4.14℃，由于滲流作用加快地埋管釋熱量向土層傳遞，因而滲流作用下土層的平均溫度反而稍低些，滲流作用時使得地埋管換熱量提升了約12.5%。

圖6為制冷模式下，不同滲流速度作用3d后土層的溫度場云圖（對應(yīng)圖3中的XY面層，該面層位于滲流區(qū)）。其中，銅管入水溫度與土層初始溫度的差值ΔT=+15℃。

圖6 不同滲流速度運行3d后土層溫度場云圖（XY面層）Fig.6 Temperature field cloud map of the soil layer after3d operation at different seepage velocities（XY layer）

由圖6可知，無滲流作用時，熱換銅管周圍土層溫度場呈同心圓狀分布；滲流作用下，溫度場分布呈漏斗狀，堆積在換熱銅管附近（近端）的熱量明顯消散了，這部分熱量被滲流水攜帶至遠端，故遠端處溫度升高。因此，在實際工程設(shè)計中，若場地內(nèi)存在地下水滲流，應(yīng)盡可能將地埋管換熱器布置在上游區(qū)域，可有效緩解地埋管換熱器周圍熱量堆積的現(xiàn)象。

圖7為制冷模式下不同滲流速度作用3d后XZ面層的溫度場云圖。該面層上部區(qū)域是非飽和紅黏土層，下部為飽和砂土層。由圖7（a）可以看出，無滲流作用時，XZ面層溫度場沿換熱銅管軸線對稱分布；銅管與土層換熱相同時間后，銅管釋放的熱量對下部飽和砂土層的影響范圍大于上部非飽和紅黏土區(qū)域，這是因為飽和砂土的熱傳導(dǎo)系數(shù)要大于非飽和紅黏土，熱量在熱傳導(dǎo)系數(shù)較大 介 質(zhì) 中 的 傳 遞 速 度 更 快。比 較 圖7（a），（b）可 發(fā)現(xiàn)，滲流作用下，上游熱量明顯被攜帶至下游處。比 較 圖7（a）～（d）可 發(fā) 現(xiàn)，隨 著 滲 流 速 度 的 增 大，換熱銅管周圍所能達到的最高溫度明顯減小，表明滲流能有效削弱熱量堆積。這是因為滲流能夠更快地將過熱區(qū)域的熱量及時擴散至其它區(qū)域。

圖7 不同滲流速度運行3d后土層溫度場云圖（XZ面層）Fig.7 Temperature field cloud map of the soil layer after3d operation at different seepage velocities（XZ layer）

圖8為滲流作用下徑向各測點溫度隨運行時間的變化。

圖8 滲流作用下徑向各測點溫度隨運行時間的變化Fig.8 Change in temperature of radial measuring points with operation time under the action of seepage

滲流速度為1.08×10-5m/s，運行模式為制冷，對應(yīng)表2中的試驗工況IV。由圖8可知，滲流作用下，上游各測點溫升明顯小于下游各測點，且溫升隨時間推移呈先快后慢的變化模式，均與圖5結(jié)果一致。上游處測點溫升趨于穩(wěn)定大約需要3 h，而下游測點溫升趨于穩(wěn)定需時可達48h。這可能與滲流路徑有關(guān)，滲流作用下，滲流將所攜帶的熱量運移至下游的路徑明顯比上游長，故需時更長，因而上游各測點溫升達到穩(wěn)態(tài)需時更短。

4 結(jié)論

本文針對桂林地區(qū)典型的巖溶地質(zhì)條件，建立了巖溶地下水滲流-傳熱地埋管試驗平臺，探討了不同工況條件下巖溶地下水滲流對地埋管換熱器換熱效果的影響，并得出如下結(jié)論。

①滲流作用下，上游處土體的溫度變化明顯小于下游處，且滲流速度越大，其對地埋管周圍土層溫度場的影響越大；與無滲流條件相比，滲流作用下地埋管周圍土層溫度場達到穩(wěn)態(tài)的時間明顯減少，滲流速度為1.08×10-5m/s時，整個土層溫度場達到穩(wěn)態(tài)速度提升約90%，即滲流作用可有效促進地埋管與土層間的換熱速度，本質(zhì)上是因為滲流加快了土層內(nèi)部的熱量傳遞。

②滲流作用下，地埋管周圍土層的均值溫度小于無滲流條件，由于滲流作用加快地埋管釋熱量向土層傳遞，因而滲流作用下土層的平均溫度反而稍低些。據(jù)本文所提出的地埋管換熱量計算發(fā)現(xiàn)，滲流速度為1.08×10-5m/s時，滲流作用使得地埋管換熱量平均提升了約12.5%。

③滲流對地埋管換熱系統(tǒng)的影響規(guī)律表現(xiàn)為：巖溶水滲流作用會將上游側(cè)熱量攜帶至下游，促進了換熱銅管釋放的熱量向下游傳遞的同時，也抑制了熱量向上游的傳遞，因而可有效減弱地埋管周圍土層的熱量堆積。

④在布置地埋管管群時，可以考慮實際的地下水滲流速度大小和滲流方向，通過合理設(shè)置埋管間距和位置，有效提高地埋管的換熱性能和熱泵系統(tǒng)的性能參數(shù)；后期將開展巖溶地下水滲流作用下地埋管管群的合理布置研究。