曾召田　唐雙慧 趙艷林　徐云山 呂海波

摘 要：

通過夏季工況的地源熱泵運行試驗，對運行過程中水平埋管的換熱性能參數(shù)、試驗場地周圍氣象因素和換熱過程中土體的溫濕度變化等因素進行實時監(jiān)測，探討了地源熱泵運行過程中水平埋管換熱器熱交換性能及其周圍土壤的溫、濕度場變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，地源熱泵間隙運行有利于土壤溫度場的恢復，隨著停機時間的增加，水平埋管與周圍土壤的熱交換能力明顯提高；氣候變化對水平埋管周圍土壤的溫度場分布具有顯著影響，隨著埋深的遞減，土壤溫度受氣候變化的影響越明顯；水平埋管周圍土壤溫度的變化幅度隨著與埋管距離的增加呈遞減趨勢，其影響半徑為1.0m左右；熱交換對水平埋管周圍土壤濕度場的影響不明顯，但大氣降雨引起的地表水入滲對土壤濕度場的分布具有顯著影響。

關(guān)鍵詞：

地源熱泵； 水平埋管換熱器； 熱交換性能； 土壤溫濕度場； 水分遷移

中圖分類號：TU413

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2016）04004607

近年來，地源熱泵（Ground Source Heat Pump，簡稱GSHP）因其使用可再生的淺層地熱能，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。隨著地源熱泵技術(shù)的推廣，其設(shè)計、運行過程中突現(xiàn)出了一系列問題，如土壤熱特性參數(shù)的不確定性[12]、土壤的“冷熱堆積”[34]、地下水滲流對地埋管換熱效果的影響[56]等，這些問題都與地埋管周圍土壤的溫、濕度場有密切聯(lián)系。曾和義等[7]對豎直埋管在半無限大介質(zhì)中的穩(wěn)態(tài)傳熱模型進行了分析討論，并給出了其解析解；那威等[8]通過建立地下水平埋管換熱器模型分析了土壤導熱系數(shù)對埋管及其周圍土壤溫度場分布和埋管換熱量的影響；胡志高等[9]利用ANSYS有限元軟件模擬了冬季豎直地埋管周圍土壤的溫度場分布；劉業(yè)鳳等[10]通過實驗研究了土壤源熱泵周圍土壤的溫度場變化；李曉燕等[11]建立嚴寒地區(qū)水平埋管換熱器周圍土壤不穩(wěn)定溫度場的物理和數(shù)學模型，并進行了模擬計算及實驗驗證。上述研究結(jié)果表明，盡管針對地埋管周圍土壤的溫度場已取得了一定成果，但是由于土壤中熱濕遷移[1214]的復雜性，關(guān)于地埋管周圍土壤濕度場的研究卻鮮見報道。實際上，地源熱泵運行中地埋管換熱器與巖土層的熱交換是一個復雜的熱濕耦合傳熱傳質(zhì)過程[15]：周圍土壤溫度場變化促使土壤水分發(fā)生遷移，使土壤濕度場發(fā)生改變；反之，土壤濕度場變化促使土壤的熱導率等參數(shù)發(fā)生變化，影響了土壤中熱量傳遞，最終影響到土壤溫度的改變。因此，有必要對地埋管周圍土壤的溫、濕度場開展系統(tǒng)的試驗研究。

在以往的研究中，人們僅僅關(guān)注地埋管與周圍土壤的熱交換對土壤溫、濕度場的影響[811，1617]，然而，在工程實踐中，水平埋管由于埋深淺（地表以下1～3 m），仍然處在大氣影響層范圍之內(nèi)，地表水入滲和大氣溫度、太陽輻射、蒸發(fā)等氣象條件變化都會對水平埋管周圍土壤的溫、濕度場產(chǎn)生不可忽略的影響。廣西屬于亞熱帶季風氣候，炎熱多雨，且雨熱同季，因此，深入研究該地區(qū)水平埋管換熱器周圍土壤溫濕度場的變化規(guī)律，對廣西地區(qū)地源熱泵的應(yīng)用和推廣具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

本文借助于桂林理工大學地源熱泵實驗系統(tǒng)，通過夏季工況試驗，對地源熱泵系統(tǒng)運行過程中水平埋管的換熱性能參數(shù)、試驗場地周圍氣象因素和換熱過程中土體的溫濕度變化等進行實時監(jiān)測，利用試驗結(jié)果對地源熱泵運行過程中水平埋管換熱器熱交換性能和周圍土壤的溫、濕度場變化規(guī)律進行深入研究，為廣西地區(qū)地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實驗系統(tǒng)

水平埋管地源熱泵試驗系統(tǒng)如圖1所示，可實現(xiàn)夏季供冷和冬季供暖等功能[18]；采用HYSS090RAJF型水水式水源熱泵機組；系統(tǒng)末端選用4臺SK14型風機盤管機組式水溫空調(diào)，對稱布置在實驗室的4個角落；地埋管換熱系統(tǒng)采用水平埋管，呈“串”型字布置在主管兩側(cè)（見圖1），一共布置4組換熱器，組間距為4.0 m，每組為單層水平雙管，管間距為1.0 m，埋深為2.5 m；組間采用并聯(lián)同程式，選用高密度聚乙烯（HDPE）管（內(nèi)徑φ=25 mm），通過管內(nèi)水循環(huán)與周圍土壤進行熱交換，每一部分采用單環(huán)路。

選擇水平埋管C3為監(jiān)測對象，分別沿水平和豎直2個方向在不同距離處土壤內(nèi)埋設(shè)溫、濕度傳感器，如圖2所示；土壤溫度采用PT100型鉑電阻溫度計和JMZR2000T多點溫度自動測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)16通道多點溫度全自動采集；土壤濕度采用Mini Trase水分測定系統(tǒng)，通過TDR探針快速測量土壤體積含水量，可實現(xiàn)自動采集和存儲。同時，采用PC4型便攜式陽光氣象站對場地周圍的大氣溫濕度、風向、風速、太陽輻射、降雨量、蒸發(fā)量等多項氣象信息進行自動采集。為了研究水平埋管換熱器的熱交換性能，筆者在水平埋管換熱系統(tǒng)總?cè)搿⒒厮诤虲3管入、回水口分別安裝了防水型DS18b20溫度傳感器和DN250型智能電磁流量計，對流經(jīng)管內(nèi)的循環(huán)水溫度和流量進行實時監(jiān)測。

2 試驗過程

一般來說，地源熱泵運行分為夏季制冷和冬季供暖2種工況；限于篇幅，本文僅選擇夏季制冷工況進行試驗研究，試驗時間為20130914—1007。根據(jù)現(xiàn)實生活中辦公樓、商場和醫(yī)院住院樓的實際空調(diào)運行情況，本文按照3種運行模式（I，II和III）分別對上述3種空調(diào)運行情況進行模擬試驗，每一種運行模式下連續(xù)試驗7 d，間隔1 d后進行另一種運行模式的試驗，具體的運行模式如下：

1）運行模式I（間隙運行模式A，模擬辦公樓運行模式）：開機運行8 h，停機16 h，運停比為1∶2；即每天9：00開機，熱泵連續(xù)運行8 h，17：00關(guān)機；

2）運行模式II（間隙運行模式B，模擬商場運行模式）：開機運行12 h，停機12 h，運停比為1∶1；即每天9：00開機，熱泵連續(xù)運行12 h，21：00關(guān)機；

3）運行模式III（連續(xù)運行模式，模擬醫(yī)院住院樓運行模式）：地源熱泵連續(xù)運行7 d（168 h）。

試驗過程中，分別對土壤的狀態(tài)參數(shù)（溫度、濕度）、周圍的氣象因素（降雨量、蒸發(fā)量、大氣溫度、相對濕度、太陽凈輻射、風速值）等進行實時監(jiān)測。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水平埋管熱交換性能分析

圖3為夏季工況試驗3種運行模式下?lián)Q熱系統(tǒng)和C3管的進出水溫度、流量監(jiān)測結(jié)果。由此可知：1）盡管由于熱泵機組啟?？刂贫寡h(huán)水的進出水溫度呈現(xiàn)鋸齒狀波動，但其溫度變化趨勢均比較一致，換熱系統(tǒng)和C3管換熱器進出水溫度均保持一個恒定差值，其平均值見表1；2）運行過程中換熱系統(tǒng)和C3管換熱器里的循環(huán)水流量基本保持不變，其平均值見表1。根據(jù)文獻[18]中的方法，由圖3中的監(jiān)測結(jié)果計算出換熱系統(tǒng)和C3管的平均換熱量（見表1）。

由表1可知，隨著停機時間的減少，水平埋管與周圍土壤的熱交換能力也逐漸降低，試驗中3種運行模式的停機時間依次為16、12和0 h，C3管的換熱量相應(yīng)地依次為0.98、0.96和0.57 kW；同時，運行模式I和II中的各換熱量相差不大，而運行模式III種的換熱量卻急劇降低。筆者分析上述結(jié)果產(chǎn)生的主要原因在于：在熱泵機組運行過程中，地埋管換熱器通過管內(nèi)水循環(huán)不斷向土壤中排放熱量，同時吸收土壤中的冷量，隨著該過程的不斷進行，排放到土壤中的熱量逐漸增加，致使土壤溫度逐漸升高。當系統(tǒng)停機時，換熱器附近的土壤中的熱量向遠端土壤中擴散，從而降低近壁面土壤的溫度，使U型管附近的土壤溫度得到一定程度的恢復。停機時間越長，土壤溫度恢復得越充分，土壤與管內(nèi)循環(huán)水的熱交換效率越高；反之，由于土壤溫度不能有效恢復，土壤溫度逐漸升高，土壤與管內(nèi)循環(huán)水的熱交換效率降低，致使系統(tǒng)各部分的平均換熱量也逐步降低。

同樣地，上述規(guī)律可從C3管的管壁溫度監(jiān)測結(jié)果（如圖4所示）得到有效反映：熱泵運行過程中，C3管的管壁溫度隨著運行時間逐漸升高，停機后，管壁溫度逐漸下降，有恢復到初始溫度的趨勢；管壁溫度恢復的程度與停機時間有關(guān)，在較長的停機時間模式下運行熱泵，管壁溫度能得到充分的恢復。圖4中，運行模式I的運停比為1∶2，管壁附近土壤的熱量能夠有效地與遠端土壤進行擴散換熱，因此，該模式下管壁溫度在停機后的16 h內(nèi)能基本恢復到初始值；運行模式II的運停比為1∶1，管壁土壤溫度在停機后的12 h能得到一定程度的恢復，但與初始值尚有0.5～0.9 ℃的差值；而運行模式III由于連續(xù)運行，土壤溫度未能得到有效恢復，管壁溫度一直處于上升趨勢，這極大地影響到水平埋管與周圍土壤的熱交換效率。

3.2 場地周圍氣象條件分析

淺層土壤的溫、濕度場變化受氣象條件的影響特別顯著，因此，對場地周圍的氣象數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測是一項十分重要的工作，圖5為試驗期間場地周圍氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果。由此可知，20130901—1012期間，試驗場地內(nèi)出現(xiàn)了兩次比較明顯的降雨過程，分別為9月4日—6日（降雨量為15.4 mm）和9月26日（降雨量為9.8 mm），這兩個時期內(nèi)的日蒸發(fā)量相應(yīng)地取值為0；降雨對大氣溫度和相對濕度均有顯著影響，兩次降雨期間大氣溫度均有一個比較明顯的降溫過程，降溫幅度為9～12 ℃左右，相反地，相對濕度均是一個較明顯的上升過程；同時期的太陽凈輻射值和風速分別與大氣溫度和相對濕度具有類似的變化規(guī)律。這說明試驗期間場地周圍氣象因素的測試結(jié)果是合理的，且各氣象因素之間是相互關(guān)聯(lián)的。以9月14日至20日（運行模式I）期間的氣象數(shù)據(jù)為例，圖4（b）和4（c）中同時期的大氣溫度、太陽凈輻射和風速均逐漸增加，而大氣相對濕度卻逐漸降低，因而，導致圖4（a）中日蒸發(fā)量逐漸增加，這符合文獻[19]理論公式揭示的蒸發(fā)量變化規(guī)律。

3.3 周圍土壤溫濕度場變化分析

圖6給出了夏季試驗期間C3管周圍土壤溫度場的分布情況，由此可知：1）夏季試驗時，循環(huán)水通過地埋管與土壤進行熱量交換（吸冷放熱），管壁附近的土壤吸收熱量、溫度升高，土壤內(nèi)部形成溫度梯度場，在其影響下地埋管附近土壤的熱量開始向遠端擴散，使遠端土壤的溫度也不同程度地升高；2）地表以下2.5 m仍處在大氣影響范圍之內(nèi)，大氣變化對其也具有顯著影響，因此，該深度范圍內(nèi)的土壤一方面吸收了熱泵運行過程中水平埋管排放的熱量，另一方面也吸收了地表的太陽輻射熱，所以該范圍內(nèi)土壤的溫度升高是由上述二者的共同作用完成的，但二者在各點的作用大小變化不同，太陽輻射熱是由地表擴散至地下土壤，因此，處于同一深度處的土壤都具有相同的溫度增量，而熱泵運行排放的熱量隨著距離的增加，其溫度增量逐漸減??；圖6（a）中，L1和L3主要受熱泵運行過程中水平埋管排放的熱量影響，太陽輻射熱也有一定的影響，而L4和L5溫度升高的主要因素是地表吸收的太陽輻射熱（溫度變化量△T均為0.4 ℃）；3）地埋管附近土壤溫度升高的幅度跟距離地埋管的遠近有關(guān)，近壁處的土壤溫度升高幅度最大，隨著距離的增加，其溫度升高的幅度遞減：在同一深度處（H=2.5 m），監(jiān)測點L1、L3、L4、L5與C3的距離依次為0.6、10、2.0、3.0 m，經(jīng)過22 d試驗后，其土壤溫度升高幅度分別為1.0、0.5、0.4、0.4 ℃，由此可推斷水平埋管C3的熱影響半徑約為1.0 m；4）在豎直方向上，隨著埋深的遞減，土壤溫度受氣候變化的影響越顯著；例如，圖6（b）中的L8和L9，盡管此時熱泵運行過程中水平埋管向土壤中排放熱量，但由于距離地表分別為1.5、1.0 m，因此，該兩處土壤受外界大氣的影響更顯著，表現(xiàn)為溫度逐漸降低的趨勢。（L：傳感器到C3的距離；H：傳感器到土表面的距離）

圖7給出了夏季試驗期間C3管周圍土壤濕度場的分布情況，由此可知：1）夏季工況下運行地源熱泵，與水平埋管C3距離最近的L1、L2監(jiān)測點的土壤濕度場未發(fā)生明顯變化；推斷其原因在于，盡管地埋管換熱器向土壤中排放的熱量引起周圍土壤溫度升高，使土壤溫度場產(chǎn)生溫度梯度；在此溫度梯度的驅(qū)動下，土壤中的熱量和水分均已發(fā)生了遷移；但由于水分遷移的速率很小，同時由前面的熱交換量分析可知橫埋管C3向土壤中排放的熱量較小，故熱交換對土壤濕度場的影響不顯著。2）地表水入滲對土壤濕度場的分布也具有一定的影響，如圖所示，L3～L9監(jiān)測點均因降雨入滲（見圖5（a））的影響而使土壤濕度曲線出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，隨著入滲過程的發(fā)展，土壤濕度曲線又恢復到逐漸遷移軌跡，這表明水平埋管由于埋深較淺，其濕度場的變化主要受大氣因素的影響。

4 結(jié) 論

1）地源熱泵間歇運行有利于土壤溫度場的恢復，從而提高水平埋管換熱器與周圍土壤的熱交換效率；夏季工況試驗中3種不同模式的運行結(jié)果表明，隨著地源熱泵系統(tǒng)停機時間的增加，水平埋管與周圍土壤的熱交換能力明顯提高。

2）水平埋管由于埋深淺，氣候變化對其周圍土壤的溫度場分布具有顯著影響，在豎直方向上，隨著埋深的遞減，土壤溫度受氣候變化的影響越明顯；水平埋管周圍土壤溫度的變化幅度跟距離埋管的遠近有關(guān)，近管壁處的土壤溫度變化幅度最大，隨著距離的增加，溫度變化幅度呈遞減趨勢，夏季試驗結(jié)果表明水平埋管熱作用的影響半徑為1.0 m左右。

3）水平埋管與土壤交換的熱量較少，同時由于水分遷移的速率緩慢，因此，熱交換對土壤濕度場的影響不顯著；夏季試驗時，大氣降雨引起的地表水入滲對土壤濕度場的分布具有顯著影響。

參考文獻：

[1]

TANG A M， CUI Y J， LE T T.A study on the thermal conductivity of compacted bentonites[J]. Applied Clay Science， 2008，41（3）：181189.

[2] 劉晨暉，周東，吳恒. 土壤熱導率的溫度效應(yīng)試驗和預(yù)測研究[J]. 巖土工程學報， 2011，33（12）：1877 1886.

LIU C H， ZHOU D， WU H. Measurement and prediction of temperature effects of thermal conductivity of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 33（12）：18771886.（in Chinese）

[3] 楊衛(wèi)波，張?zhí)K蘇. 冷熱負荷非平衡地區(qū)土壤源熱泵土壤熱失衡研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵問題[J]. 流體機械，2014，42（1）：8087.

YANG W B， ZHANG S S. Research status and key problem of underground thermal unbalance of ground coupled heat pump operated in districts with unbalanced cooling and heating load [J]. Fluid Machinery，2014，42（1）：8087. （in Chinese）

[4] 朱紅芬，杜震宇. 土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題對生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 能源與節(jié)能，2011，（7）：46.

ZHU H F， DU Z Y. Effects of the ground heat balance of ground coupled heat pump system on ecological environment [J]. Energy and Energy Conservation，2011，（7）：46. （in Chinese）

[5] CHIASSON A D， REES S J， SPITLER J D. A preliminary assessment of the effects of groundwater flow on closedloop ground source heat pump systems[J]. ASHRAE Transactions， 2000， 106（1）：380393.

[6] DIAO N R， LI Q Y， FANG Z H. Heat transfer in ground heat exchangers with groundwater advection[J]. International Journal of Thermal Sciences，2004，43（12）：12031211.

[7] 曾和義，刁乃仁，方肇洪. 豎直埋管地熱換熱器的穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J]. 山東建筑工程學院學報， 2002，17（1）：16.

ZENG H Y， DIAO N R， FANG Z H. Analysis on steadystate temperature field around a vertical borehole in geothermal heat exchangers [J]. Journal of Shandong Institute of Architectural. and Engineering.， 2002，17（1）：16. （in Chinese）

[8] 那威，宋艷，姚楊.土壤源熱泵地下水平埋管換熱性能及其周圍土壤溫度場的影響研究[J].太陽能學報，2009，30（4）：475 480.

NA W， SONG Y， YAO Y. Study on soil temperature field around horizontal buried pipe of heat exchanger for groundsource heat pump[J]. Acta Energiae Solaris Sinica， 2009， 30（4）：475480. （in Chinese）

[9] 胡志高，曹崇民. 冬季地埋管周圍土壤溫度場的模擬與分析[J]. 制冷與空調(diào)，2008，8（3）：5759，35.

HU Z G， CAO C M. Simulation and analysis on ground temperature field of GSHP in winter[J]. Refrigeration and AirCondition， 2008，8（3）：5759，35. （in Chinese）

[10] 劉業(yè)鳳，艾永杰，熊月忠. 地埋管地源熱泵土壤溫度場實驗分析[J]. 暖通空調(diào)，2014，44（3）：119 122，112.

LIU Y F， AI Y J， XIONG Y Z. Experimental analysis of soil temperature field with groundsource heat pump system [J]. HV & AC，2014，44（3）：119122，112. （in Chinese）

[11] 李曉燕，于佳文，杜世強，等. 嚴寒地區(qū)土壤源熱泵地下水平埋管換熱性能影響研究[J]. 太陽能學報，2014，35（3）：540 545.

LI X Y， YU J W， DU S Q， et al. Study on the performance impact of horizontal buried pipes heat exchanger in severe cold area[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2014， 35（3）： 540545. （in Chinese）

[12] 陳善雄，陳守義. 非飽和土熱濕耦合傳輸問題的數(shù)值解——理論及一維問題的解[J]. 巖土力學，1992，13（1）：3950.

CHEN S X， CHEN S Y. Numerical analysis of coupled heat and moisture transfer in unsaturated soils：Theory and solution to one dimension problems[J]. Rock and Soil Mechanics， 1992，13（1）：3950. （in Chinese）

[13] 陳善雄，陳守義. 非飽和土熱濕遷移的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學，1993，14（2）：4151.

CHEN S X， CHEN S Y. Numerical modeling of coupled heat and moisture transfer in unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics，1993，14（2）：4151. （in Chinese）

[14] 楊金國，趙緒新，劉偉，等. 土壤熱濕遷移實驗與數(shù)值模擬的研究[J]. 華中理工大學學報，1998， 26（9）：3941.

YANG J G， ZHAO X X， LIU W， et al. An experimental study of moisture and heat transport in soil and its numerical simulation[J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology，1998， 26（9）：3941. （in Chinese）

[15] 趙艷林，曾召田，呂海波，等.淺層地能開采中土體的熱濕遷移機制及力學性狀研究綜述與展望[J].工程地質(zhì)學報， 2013， 21（2）：222227.

ZHAO Y L， ZENG Z T， LYU H B， et al. Review and prospect of study on heat and moisture migration mechanism and mechanical behavior of soil in shallow geothermal energy exploitation[J]. Journal of Engineering Geology，2013，21（2）： 222227. （in Chinese）

[16] 盛宏. 冬季地下埋管換熱器溫度場和濕度場的研究[D]. 河北邯鄲：河北工程大學，2012.

SHENG H. Analysis on temperature field and humidity field of underground heat exchanger in winter[D]. Handan： Hebei University of Engineering， 2012. （in Chinese）

[17] 王華軍，齊承英，王恩宇，等. 土壤高溫儲熱條件下熱濕遷移過程的實驗研究[J]. 太陽能學報， 2010，31（7）：824828.

WANG H J， QI C Y， WANG E Y， et al. Experimental study of heat and moisture transfer process for hightemperature heat storage of soils[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2010，31（7）： 824828. （in Chinese）

[18] 曾召田. 巖溶地區(qū)紅粘土熱濕遷移及其對地源熱泵系統(tǒng)換熱性能的影響分析[D]. 南寧：廣西大學，2014.

ZENG Z T. Research on heat and moisture migration of red clay and its influence on heat transfer performance of ground source heat pump system in karst region[D]. Nanning： Guangxi University，2014. （in Chinese）

[19] PENMAN H L. Natural evaporation from open water， bare soil and grass[C]//Proceedings of the Royal Society of London A： Mathematical， Physical and Engineering Sciences. The Royal Society， 1948，193（1032）： 120145.

（編輯 胡玲）