中淺層同軸套管式換熱器的傳熱能力分析

李振興，李文靜，翟麗娟，張 靜

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004；2.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

地源熱泵技術(shù)利用淺層地?zé)豳Y源進(jìn)行制冷供暖，具有高效、能源可再生等特點(diǎn)，成為近年來(lái)主要的空調(diào)技術(shù)之一[1]。同時(shí)我國(guó)政府在國(guó)際上承諾我國(guó)二氧化碳排放量將在2030年左右達(dá)到峰值，并制定了在2020年之前將單位GDP的二氧化碳排放量比2005年減少40%～45%的目標(biāo)[2]。地?zé)崮苜Y源的利用則可以減少標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗以及二氧化碳的排放[3]。地下50～200 m的淺層土壤是地源熱泵地埋管換熱器的主要埋管深度[4]。而利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供熱的熱泵技術(shù)最早是在1912年由瑞士人ZOELLY提出的將土壤作為熱泵熱源的專利設(shè)想，我國(guó)則是在20世紀(jì)中期以呂燦仁教授(天津大學(xué)熱能研究所)為代表的學(xué)者和專家開始研究[5]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，淺層豎埋單U型地埋管換熱器、雙U型地埋管換熱器在國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用，為建筑清潔能源供暖制冷做出了一定的貢獻(xiàn)，但其缺點(diǎn)仍不可忽視。一方面受冷熱不均衡的影響，導(dǎo)致?lián)Q熱效率逐年下降；另一方面淺層地埋管存在占地面積大等問(wèn)題[6]，嚴(yán)重制約了其在城市的推廣應(yīng)用發(fā)展。 隨著上述問(wèn)題的出現(xiàn)，開發(fā)利用中淺層地?zé)?200～500 m)逐漸受到重視。THEO[7]曾利用CFD對(duì)瑞士地區(qū)套管換熱器進(jìn)行了瞬態(tài)模擬，得到了通過(guò)增加地?zé)峋纳疃龋梢允谷崃吭黾印?012年，我國(guó)科研人員嘗試使用區(qū)別于傳統(tǒng)淺層地埋管(深度約為200 m)的中深層地埋管換熱器(深度為2～3 km)提取中深層地?zé)嵊糜诮ㄖ幔⑷〉昧顺晒8]。

中淺層地?zé)崮艿臒崃恐饕獊?lái)自于地球內(nèi)部向上的熱傳導(dǎo)，溫度相對(duì)較高且穩(wěn)定，換熱效果好，由于打井?dāng)?shù)量少于淺層地?zé)崮?，所以占地面積小，適用于人口密集的地區(qū)及高寒地區(qū)；與中深層地?zé)崮芟啾?，中淺層地?zé)崮艿某跬顿Y低，深度較淺，地下溫度更易提取，可供暖可制冷。綜上，從溫度、深度、投資等方面來(lái)看，中淺層地?zé)崮芏季哂袠O大的利用價(jià)值[9]。但是目前大部分研究以淺層地?zé)崮芎椭猩顚拥責(zé)崮転橹鳎瑢?duì)于中淺層地?zé)崮苎芯枯^少，而利用中淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供暖與制冷也缺乏相關(guān)的工程案例和理論研究支持。

因此，本文根據(jù)邯鄲市某建筑物空調(diào)冷熱源項(xiàng)目中施工的300 m地?zé)峋?，開展中淺層地源熱泵系統(tǒng)換熱實(shí)驗(yàn)及巖土熱物性測(cè)試，分析中淺層同軸套管式換熱器的換熱性能，并利用傳熱理論模擬分析中淺層同軸套管式換熱器的傳熱特性。

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于邯鄲市東部平原，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和物探探測(cè)，區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系和第四系[10]。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)中南部，西臨山西斷隆，南接內(nèi)黃隆起，東望魯西斷隆，北為滄縣隆起及冀中斷坳。區(qū)內(nèi)分布三條斷裂，分別為邯鄲大斷裂、臨漳-魏縣隱伏大斷裂、滄州-大名深斷裂，控制著新近系和第四系的沉積以及地下熱水的賦存條件。

1.2 蓋層

新近系泥巖類及第四系黏土層厚度適中是該地區(qū)良好的保溫層。巖性由灰黃、黃色灰綠黏土、黏砂土夾砂層及灰綠色亞黏土呈不等厚互層組成，厚度為1.30～14.85 m，夾有淤泥層，見(jiàn)有石膏晶體，含鈣質(zhì)結(jié)核，第四系地層上部具有黃土狀結(jié)構(gòu)。

1.3 熱儲(chǔ)

研究區(qū)有四套熱儲(chǔ)，即新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲(chǔ)、古近系東營(yíng)-沙河街裂隙熱儲(chǔ)、寒武-奧陶系巖溶裂隙熱儲(chǔ)、中上元古界巖溶裂隙熱儲(chǔ)。其中新近系熱儲(chǔ)層為本地區(qū)開發(fā)利用的主要目的層，本次研究?jī)H涉及新近系明化鎮(zhèn)熱儲(chǔ)，該熱儲(chǔ)是由一套砂巖、含礫砂巖及泥巖頻繁交叉而疊置成的河流相沉積層，其中砂巖和砂礫巖是良好的熱水儲(chǔ)水層，沉積物粒度具有上細(xì)下粗的特征[11]，本次揭露厚度為74.6 m。

除上述熱儲(chǔ)外，第四系的中下部地層也是本次利用的重點(diǎn)目的層。第四系中部由灰綠、黃褐色亞砂土、黏土、中細(xì)砂、粉砂組成，含少量鈣質(zhì)結(jié)核。下部由紫紅、棕紅及灰綠色亞黏土和4～6層厚層細(xì)、中砂組成，在底部有一層35～40 m礫石層，俗稱第四系底礫層，為一良好的含水層，也是良好的熱儲(chǔ)，揭露地層厚度約126 m。

1.4 地層溫度

研究區(qū)內(nèi)恒溫帶平均深度25 m，溫度為15.3～16.0 ℃，平均為15.7 ℃[12]，地溫梯度一般在2.5～2.9 ℃/100 m之間。本次鉆探結(jié)束24 h后對(duì)地?zé)峋M(jìn)行了測(cè)溫，測(cè)得井底溫度為31 ℃。

2 地下巖土體的熱物性測(cè)試

中淺層同軸套管式換熱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目位于邯鄲市東部平原，地勢(shì)較為平坦。根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[13]，采用地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試的首要目標(biāo)是獲取地埋管在打井深度范圍內(nèi)的巖土層的綜合熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、換熱量等，為地埋管設(shè)計(jì)前提供必要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)[14]。

2.1 套管式換熱器結(jié)構(gòu)

地?zé)峋Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一級(jí)，一開Φ152.4 mm，下入Φ108 mm套管，固井后下入材質(zhì)為PP100、規(guī)格為De63 mm的中心管(也稱內(nèi)管)，共同組成套管式換熱器(表1)。

表1 換熱管結(jié)構(gòu)表Table 1 Structure table of heat exchange tube

2.2 熱物性實(shí)驗(yàn)方法和不同工況選取

熱物性測(cè)試采用地層熱平衡法，測(cè)試地層吸熱能力，共開展五種不同形式的工況，獲取的熱物性參數(shù)作為建立地?zé)崮Ｐ偷幕A(chǔ)。

穩(wěn)定工況：在測(cè)試熱加載功率約19 kW，循環(huán)流量3.5 m3/h，進(jìn)出水溫差為4.5～5 ℃的條件下，測(cè)試中心管進(jìn)水(內(nèi)進(jìn)外出)和中心管出水(外進(jìn)內(nèi)出)兩種工況，以獲取穩(wěn)定工況條件下的熱物性參數(shù)，根據(jù)測(cè)試取得換熱量較大的工況為基礎(chǔ)開展變流量工況。

變流量工況：在測(cè)試熱加載功率不變的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)流量3～6 m3/h，分別獲取進(jìn)出水溫差約3 ℃、4 ℃、4.5 ℃等三種工況條件下的熱物性參數(shù)。

2.3 熱物性測(cè)試原理及過(guò)程

將測(cè)試設(shè)備與套管式換熱器組成循環(huán)水系統(tǒng)，設(shè)定穩(wěn)定的加熱功率，對(duì)換熱器進(jìn)行一定時(shí)間的連續(xù)散熱實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄加熱功率、循環(huán)流量和進(jìn)出水溫度等數(shù)據(jù)，依據(jù)規(guī)范分析得到巖土熱物性參數(shù)，測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 熱物性測(cè)試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermophysical property test

3 中淺層同軸套管式換熱器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 巖土初始平均溫度的確定

換熱器換熱測(cè)試歷時(shí)9 d，從2020年6月23日開始，到2020年7月1日結(jié)束。6月23日，中心管出水(外進(jìn)內(nèi)出)工況下流量為3.06 m3/h，循環(huán)1.5 h后測(cè)得地?zé)峋跏计骄鶞囟葹?1.3 ℃；6月24日，中心管進(jìn)水(內(nèi)進(jìn)外出)工況下流量為3.16 m3/h， 循環(huán)3 h后測(cè)得地?zé)峋跏计骄鶞囟葹?1.2 ℃。

3.2 中心管進(jìn)水(內(nèi)進(jìn)外出)穩(wěn)定工況時(shí)的傳熱測(cè)試

中心管進(jìn)水穩(wěn)定工況從2020年6月25日15：30開始，到2020年6月29日3：30結(jié)束，測(cè)試時(shí)間84 h。當(dāng)加熱功率為18.5 kW，循環(huán)液流量為3.5 m3/h時(shí)，套管式換熱器進(jìn)口溫度為39.5 ℃、出口溫度為34.7 ℃，溫差4.8 ℃，平均換熱量為20.4 kW(圖2)，計(jì)算得出地層的綜合傳熱系數(shù)K為4.38 W/(m·K)。由于前期數(shù)據(jù)有波動(dòng)，所以測(cè)試數(shù)據(jù)取測(cè)試結(jié)束前8 h內(nèi)平均值。

圖2 內(nèi)管進(jìn)水工況下?lián)Q熱量和進(jìn)/出水溫度變化曲線圖Fig.2 Change graph of formation heat exchange andinlet/outlet water temperature under inner tubeinlet water condition

3.3 中心管出水(外進(jìn)內(nèi)出)穩(wěn)定工況時(shí)的傳熱測(cè)試

中心管出水穩(wěn)定工況從2020年6月29日11：00開始，到2020年7月1日7：00結(jié)束，測(cè)試時(shí)間44 h，穩(wěn)定加熱功率19 kW，循環(huán)液流量為3.6 m3/h。套管式換熱器進(jìn)口溫度40.6 ℃，出口溫度35.7 ℃，進(jìn)出口溫差4.9 ℃，平均換熱量20.9 kW(圖3)，其換熱量要比相同流量時(shí)的內(nèi)進(jìn)外出工況大，計(jì)算得出地層綜合傳熱系數(shù)K為4.137 W/(m·K)，由于前期數(shù)據(jù)波動(dòng)太大，所以測(cè)試數(shù)據(jù)取測(cè)試結(jié)束前8 h內(nèi)平均值。

圖3 內(nèi)管出水工況下?lián)Q熱量和進(jìn)/出水溫度變化曲線圖Fig.3 Change graph of formation heat exchange andinlet/outlet water temperature under innertube outlet water condition

3.4 不同流量工況時(shí)的傳熱測(cè)試

根據(jù)3.2部分和3.3部分的實(shí)驗(yàn)研究可知，外進(jìn)內(nèi)出工況的換熱效果要優(yōu)于內(nèi)進(jìn)外出工況，因此可對(duì)外進(jìn)內(nèi)出工況繼續(xù)進(jìn)行不同流量時(shí)的傳熱測(cè)試。變流量工況從2020年7月1日9：00開始，到2020年7月4日8：00結(jié)束，測(cè)試時(shí)間為71 h，穩(wěn)定加熱功率為14.6 kW，通過(guò)調(diào)節(jié)流量，獲取溫差、換熱量、地層熱物性參數(shù)及最佳運(yùn)行工況等，測(cè)試數(shù)據(jù)取不同流量工況測(cè)試結(jié)束前6 h內(nèi)平均值(圖4)。

圖4 內(nèi)管進(jìn)水在不同流量時(shí)的流量和進(jìn)/出水溫度變化曲線圖Fig.4 Change graph of flow rate and inlet/outletwater temperature under inner tube inlet watervariable traffic condition

1) 水流量4.7 m3/h時(shí)，套管式換熱器進(jìn)口溫度36.5 ℃，出口溫度33.6 ℃，進(jìn)出口溫差2.9 ℃，平均換熱量15.8 kW，地層綜合傳熱系數(shù)3.860 W/(m·K)。

2) 水流量3.2 m3/h時(shí)，套管式換熱器進(jìn)口溫度37.5 ℃，出口溫度33.3 ℃，進(jìn)出口溫差4.2 ℃，平均換熱量15.7 kW，地層綜合傳熱系數(shù)3.697 W/(m·K)。

3) 水流量2.9 m3/h時(shí)，套管式換熱器進(jìn)口溫度37.9 ℃，出口溫度33.3 ℃，進(jìn)出口溫差4.6 ℃，平均換熱量15.6 kW，地層綜合傳熱系數(shù)3.602 W/(m·K)。

根據(jù)不同流量時(shí)的傳熱測(cè)試結(jié)果，隨著循環(huán)液流量的降低，換熱器的換熱量逐漸減小，說(shuō)明循環(huán)液和換熱管的對(duì)流換熱效果降低。

3.5 中淺層同軸套管式換熱器換熱能力分析

根據(jù)中淺層同軸套管式換熱器熱物性測(cè)試結(jié)果，總結(jié)出本次換熱器的取熱能力見(jiàn)表2。綜合考慮測(cè)試數(shù)據(jù)，本文地層綜合傳熱系數(shù)為3.602～4.380 W/(m·K)，平均傳熱系數(shù)為3.935 W/(m·K)，制冷工況下地層延米換熱量為52.00～69.67 W/m。

表2 中淺層套管式換熱器的取熱能力分析表Table 2 Analysis of energy extraction capacity of double-pipe ground heat exchangers of medium-shallow layers

4 模擬計(jì)算與分析

4.1 模型建立與參數(shù)確定

4.1.1 模型建立

根據(jù)已有的淺層地埋管和中深層同軸套管式傳熱模型建立了中淺層同軸套管式換熱器冬夏兩季傳熱模型，并根據(jù)換熱內(nèi)外不同的傳熱規(guī)律和循環(huán)方向，建立相應(yīng)控制方程，通過(guò)方程的求解對(duì)該傳熱模型進(jìn)行模擬分析。

1) 套管內(nèi)流體溫度控制方程。套管內(nèi)流體區(qū)域假設(shè)為一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，包括兩部分熱阻，見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：R1為外管內(nèi)循環(huán)液和鉆孔壁之間單位長(zhǎng)度的熱阻，(m2·K)/W；R2為內(nèi)管流體與外管流體之間單位長(zhǎng)度的熱阻，(m2·K)/W；d1i為內(nèi)管內(nèi)徑，m；d10為內(nèi)管外徑，m；d2i為外管內(nèi)徑，m；d20為外管外徑，m；db為鉆孔直徑，m；h1為套管內(nèi)管流體與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；h2為套管外管流體與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；λp1為內(nèi)管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λp2為外管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λg為回填材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

若循環(huán)液流動(dòng)方式為內(nèi)進(jìn)外出式，內(nèi)外管流體能量方程見(jiàn)式(3)和式(4)。

(3)

(4)

定解條件見(jiàn)式(5)和式(6)。

第一類邊界條件：

(5)

或第二類邊界條件(Q從地下取熱為正，放熱為負(fù))：

(6)

若循環(huán)液流動(dòng)方式為外進(jìn)內(nèi)出式，內(nèi)外管流體能量方程見(jiàn)式(7)～式(9)。

(7)

(8)

C=mc

(9)

定解條件見(jiàn)式(10)和式(11)。

第一類邊界條件:

(10)

或第二類邊界條件(Q從地下取熱為正，放熱為負(fù))：

(11)

式中：tf1為內(nèi)管流體溫度，℃；tf2為外管流體溫度，℃；tb為鉆孔壁溫度，℃；H為換熱器長(zhǎng)度；C為循環(huán)液?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的熱容量，J/(m·K)；C1為內(nèi)管道熱流通道單位長(zhǎng)度的熱容量，J/(m·K)；C2為外管道熱流通道單位長(zhǎng)度的熱容量，J/(m·K)；m為套管內(nèi)循環(huán)液的質(zhì)量流量，kg/s；c為循環(huán)液比熱容，J/(kg·K)。

C1、C2具體表達(dá)式見(jiàn)式(12)和式(13)。

(12)

(13)

式中：ρwcw為循環(huán)液體積比熱容，J/(m3·K)；ρ1c1為內(nèi)管體積比熱容，J/(m3·K)；ρ2c2為外管體積比熱容，J/(m3·K)；ρgcg為回填材料體積比熱容，J/(m3·K)。

2) 巖土中溫度控制方程。巖土區(qū)域假設(shè)為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，其導(dǎo)熱方程見(jiàn)式(14)和式(15)。

(14)

(15)

式中：t為巖土體溫度，℃；τ為計(jì)算時(shí)間，s；a為巖土地層的熱擴(kuò)散率，m2/s；r為巖土的徑向長(zhǎng)度，m；λpl為巖土導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρc為巖土體積比熱容，J/(m3·K)。

采用不均等差分步長(zhǎng)，引入新變量進(jìn)行求解，計(jì)算見(jiàn)式(16)。

σ=ln(r/r0)

(16)

式中，r0為鉆孔半徑，m。

將式(16)帶入到式(14)可簡(jiǎn)化得到式(17)。

(17)

如果管外壁溫度梯度分布均勻，則可用等步長(zhǎng)Δσ，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就成為一個(gè)等比級(jí)數(shù)，見(jiàn)式(18)。

(18)

式中：ri為第i個(gè)徑向節(jié)點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，m；ri+1為第i+1個(gè)徑向節(jié)點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，m；r1為第1個(gè)徑向節(jié)點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，m；計(jì)算時(shí)取β=1.2，所以Δσ=0.182 32。

4.1.2 參數(shù)確定

本文以深度為300 m的中淺層套管式換熱器為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。將測(cè)試得到結(jié)果進(jìn)行整理，最后進(jìn)行結(jié)果分析，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)計(jì)算參數(shù)Table 3 Experimental calculation parameters

4.2 結(jié)果分析

本文利用中淺層地?zé)崮苓_(dá)到供暖和制冷的雙重目的，冬季進(jìn)行供暖，夏季進(jìn)行制冷，本次模擬參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，首先校核傳熱模型的準(zhǔn)確性，然后利用該傳熱模型計(jì)算該換熱器運(yùn)行一年的各個(gè)參數(shù)變化，并進(jìn)行分析。

4.2.1 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

本次模擬之前，為了驗(yàn)證該傳熱模型的合理性，將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，循環(huán)液以外進(jìn)內(nèi)出式和內(nèi)進(jìn)外出式兩種循環(huán)方式運(yùn)行，因此選取這兩種不同方式，分別驗(yàn)證模擬準(zhǔn)確性，循環(huán)液流量為3.5 m3/h，實(shí)驗(yàn)時(shí)間各為44 h，其余模擬參數(shù)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置一致，最終通過(guò)對(duì)比進(jìn)出口溫度之間的差異，來(lái)驗(yàn)證其模擬的準(zhǔn)確性，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖5和圖6所示。

圖5 外進(jìn)內(nèi)出式模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.5 Comparison of simulation data and experimentaldata of external input and internal output

由圖5和圖6可知，進(jìn)出口溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在一定差異，但總體趨勢(shì)一致，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圍繞模擬數(shù)據(jù)上下波動(dòng)，原因可能是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)地下巖土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在地下水徑流等影響，導(dǎo)致參數(shù)不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，模擬數(shù)據(jù)則忽略其影響。此外，對(duì)于換熱器外進(jìn)內(nèi)出式中的循環(huán)液與巖土介質(zhì)之間穿透介質(zhì)少于內(nèi)進(jìn)外出式，熱阻小，換熱效果好，因此選取外進(jìn)內(nèi)出式進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖6 內(nèi)進(jìn)外出式模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.6 Comparison of simulated data and experimentaldata of internal input and external output

4.2.2 換熱量變化

換熱量的大小是評(píng)價(jià)換熱器性能優(yōu)良的最主要指標(biāo)，為了維持一定供暖溫度或制冷溫度，擬定換熱器連續(xù)運(yùn)行四個(gè)月，以冬季進(jìn)口溫度不低于5 ℃、夏季進(jìn)口溫度不高于45 ℃的換熱量為最大換熱量。 為了驗(yàn)證本次項(xiàng)目的最大換熱量，取循環(huán)液流量為2.9 m3/h、3.2 m3/h、3.5 m3/h、3.6 m3/h、4.7 m3/h情況下，對(duì)冬夏季分別進(jìn)行模擬，具體計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 換熱量隨循環(huán)液流量變化Fig.7 Heat exchange varies with circulating fluid flow

由圖7可知，名義取熱量隨循環(huán)液流量的增加都在不同幅度的增加，循環(huán)液流量越大，循環(huán)液從巖土體中吸收或排出的熱量越多；實(shí)驗(yàn)測(cè)試的換熱量為20.9 kW，其循環(huán)液流量為3.6 m3/h，此時(shí)模擬的換熱量為18.39 kW，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)試僅為連續(xù)運(yùn)行的幾十個(gè)小時(shí)，模擬計(jì)算為整個(gè)制冷季，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試的換熱量比模擬數(shù)據(jù)換熱量較高。當(dāng)循環(huán)液流量分別為2.9 m3/h、3.2 m3/h、3.5 m3/h、3.6 m3/h、4.7 m3/h時(shí)，為了維持地埋管的取熱能力，保證地埋管運(yùn)行效率，其循環(huán)液流量對(duì)應(yīng)的最大換熱量夏季為17.38 kW、17.39 kW、18.39 kW、18.39 kW、18.41 kW，冬季為19.55 kW、20.54 kW、20.55 kW、20.56 kW、21.57 kW。

4.2.3 進(jìn)出口溫度變化

取熱量公式為Q=mcΔt[15]，c為循環(huán)液比熱容，因此取熱量Q的大小不但與循環(huán)液流量m有關(guān)，也與進(jìn)出口溫差Δt有關(guān)，結(jié)合上文測(cè)試數(shù)據(jù)，取不同循環(huán)液進(jìn)出口流量分別進(jìn)行模擬計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，連續(xù)供暖期間，由于換熱器不斷提取地下巖土體中熱量，導(dǎo)致巖土體溫度降低，為了使取熱量相對(duì)穩(wěn)定，循環(huán)液進(jìn)出口溫度將會(huì)不斷降低；供暖季結(jié)束時(shí)，換熱器停止運(yùn)行，循環(huán)液進(jìn)出口溫度不斷上升，逐漸接近地面初始溫度。進(jìn)行制冷時(shí)，換熱器不斷向地下巖土體排入熱量，巖土體溫度持續(xù)升高，此刻為了達(dá)到相應(yīng)的取熱量，進(jìn)出口溫度逐漸上升；當(dāng)制冷季結(jié)束后進(jìn)出后溫度不斷降低直至和地層表面溫度相近，最后進(jìn)入下一年循環(huán)。

圖8 不同流量情況下地埋管進(jìn)出口溫度一年內(nèi)變化Fig.8 Temperature of the inlet and outlet of buried pipeschanges within one year under different flow conditions

圖9為冬季供暖時(shí)不同流量情況下?lián)Q熱器進(jìn)出口溫度變化情況。由圖9可知，換熱器冬季運(yùn)行時(shí)，對(duì)于不同的循環(huán)液流量，其進(jìn)出口溫度不相同，當(dāng)流量較大時(shí)，其進(jìn)口溫度比流量小的進(jìn)口溫度高，而出口處流量大的溫度小于流量小的出口溫度，這是由于取熱量一致時(shí)，為了取得相同的熱量，流量增大時(shí)，進(jìn)出口溫差將會(huì)減小，反之流量小的進(jìn)出口溫差增大；該計(jì)算結(jié)果顯示最大進(jìn)出口溫差為3.96 ℃，最小進(jìn)出口溫差為2.33 ℃，并且運(yùn)行開始前期，進(jìn)出口溫度降低速度較快，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，進(jìn)出口溫度下降較平緩。

圖9 冬季供暖時(shí)不同流量情況下?lián)Q熱器進(jìn)出口溫度變化Fig.9 Changes of inlet and outlet temperature of buriedpipe under different flow rate during heating in winter

圖10為夏季制冷時(shí)不同流量情況下?lián)Q熱器進(jìn)出口溫度變化情況。由圖10可知，當(dāng)換熱器進(jìn)入夏季進(jìn)行制冷時(shí)，需要從建筑物內(nèi)不斷吸取熱量，通過(guò)換熱器排入到巖土體中，以降低建筑物室內(nèi)溫度，同時(shí)隨著巖土體溫度不斷升高，為了排出一定熱量，循環(huán)液進(jìn)出口溫度也在增加，最大進(jìn)出口溫差為5.43 ℃，最小進(jìn)出口溫差為3.15 ℃，運(yùn)行前期， 進(jìn)出口溫度升高較快，后期較平緩；對(duì)于流量大的循環(huán)液進(jìn)口溫度小于流量小的循環(huán)液進(jìn)口溫度，反之流量大的出口溫度大于流量小的出口溫度。

圖10 夏季制冷時(shí)不同流量情況下?lián)Q熱器進(jìn)出口溫度變化Fig.10 Changes of inlet and outlet temperature of buriedpipe under different flow rate during cooling in summer

4.2.4 不同地層巖土溫度沿徑向的變化

換熱器運(yùn)行期間產(chǎn)生的最大影響是導(dǎo)致周圍巖土層溫度的變化，由于不同深度的巖土溫度不同，深度越深，巖土溫度越高，所以當(dāng)循環(huán)液進(jìn)行循環(huán)時(shí)，在每個(gè)地層吸收或排放的熱量不同，因此套管四周的巖土溫度在徑向上不斷變化，取循環(huán)液流量為3.5 m3/h，模擬了地埋管換熱器分別在冬季和夏季運(yùn)行完畢后，不同地層巖土溫度沿徑向的變化，具體結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同深度巖土溫度沿徑向的變化Fig.11 Variation of geotechnical temperature along the radial direction at different depths

由圖11可知，當(dāng)換熱器在換熱結(jié)束后，不同巖土層溫度都發(fā)生一定程度的變化，綜合圖9和圖10分析，不論是冬季還是夏季，由于受地埋管內(nèi)循環(huán)液溫度的影響，距離鉆孔徑向越近處巖土層溫度變化較快，距離越遠(yuǎn)，受地埋管吸熱或散熱影響越小，因此溫度變化也逐漸變小。當(dāng)冬季運(yùn)行完畢后，地埋管從周圍巖土層吸取了相應(yīng)的熱量，周圍巖土層溫度降低，導(dǎo)致各個(gè)地層溫度隨著徑向距離的增加呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，若選取的巖土層所處深度較小，則周圍巖土層溫度越低，地埋管循環(huán)液吸收的熱量較少，若選取的巖土層所處深度較大，地埋管循環(huán)液吸收的熱量較多，巖土溫度沿徑向變化越明顯。當(dāng)夏季運(yùn)行完畢后，地埋管向周圍巖土層釋放了相應(yīng)的熱量，各個(gè)地層溫度都隨著徑向距離的增加呈現(xiàn)一個(gè)逐漸降低趨勢(shì)，隨著徑向距離的增加，各個(gè)地層溫度逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)鉆孔深度較淺時(shí)，周圍巖土層與循環(huán)液溫差較大，因此變化越明顯。

4.2.5 不同地層巖土溫度沿深度方向的變化

當(dāng)徑向距離一定時(shí)，同一地層的巖土溫度相同，不同深度地層的巖土溫度不斷變化，取徑向距離為1 m、循環(huán)液流量為3.5 m3/h時(shí)的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，運(yùn)行一年后其各個(gè)地層溫度變化如圖12所示。由圖12可知，運(yùn)行一年后，換熱器停止運(yùn)行，巖土溫度慢慢恢復(fù)至初始溫度，距離地面越近，巖土溫度越接近地面溫度，隨著深度增加，溫度不斷上升，并最終接近所在地層的巖土溫度初始值，即巖土溫度隨著深度的增加不斷上升。

圖12 不同深度地層巖土溫度變化Fig.12 Changes in geotechnical temperature indifferent depth formations

5 結(jié) 論

中淺層地?zé)崮芸晒┡芍评?，因此開展中淺層地?zé)崮苎芯渴茄a(bǔ)充和完善目前我國(guó)地?zé)崮荛_發(fā)利用的方式，尤其是在城市密集區(qū)采用中淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供暖和制冷，不僅解決了淺層地埋管占地面積大和中深層地?zé)嵬顿Y大的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于調(diào)整城市能源供給形式、節(jié)能減碳和改善環(huán)境具有重要意義。本文在邯鄲市某建筑物建立了埋深為300 m的中淺層同軸套管式換熱器，并對(duì)換熱器分別進(jìn)行了定流量和變流量傳熱實(shí)驗(yàn)；基于已有的淺層地埋管和中深層傳熱模型，創(chuàng)新性建立了針對(duì)中淺層套管式換熱器冬夏兩季的傳熱模型，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，校核了傳熱模型的準(zhǔn)確性，最后利用該中淺層傳熱模型對(duì)該地?zé)峋M(jìn)行了全年模擬，通過(guò)換熱實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算可以得到以下結(jié)論。

1) 利用中淺層套管式換熱器為建筑物進(jìn)行供暖和制冷是可行的。

2) 通過(guò)傳熱測(cè)試獲得地層綜合傳熱系數(shù)3.602～4.380 W/(m·K)，不同流量制冷工況下地層延米換熱量為52～69.67 W/m。

3) 利用模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其運(yùn)算結(jié)果驗(yàn)證了傳熱模型的合理性，當(dāng)循環(huán)液流量為3.5 m3/h時(shí)，制冷工況下延米換熱量為61.30 W/m，供暖工況下延米換熱量為68.50 W/m。

4) 利用其測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)換熱器運(yùn)行一年后，不同流量的進(jìn)出口溫差不同，流量越大，進(jìn)出口溫差越小，流量越小進(jìn)出口溫差越大，其中冬季進(jìn)出口溫差最大為3.96 ℃，夏季進(jìn)出口最大溫差為5.43 ℃。

5) 換熱器分別在冬季、夏季運(yùn)行完畢后，不同巖土層溫度都隨著徑向距離增加呈現(xiàn)不同程度的上升或下降趨勢(shì)，但隨著徑向距離的增加，溫度變化將趨于平緩；同時(shí)不同地層的巖土溫度隨著深度的增加不斷升高。

本文研究的實(shí)驗(yàn)測(cè)試僅針對(duì)夏季工況，由于新冠疫情影響暫時(shí)未對(duì)冬季工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在接下來(lái)項(xiàng)目中將會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)冬季參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)冬夏兩季各個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，以推進(jìn)項(xiàng)目的進(jìn)一步實(shí)施。