土壤含水率及滲流對土壤源熱泵影響研究進展

段 妍 晉 華，2 劉 虎，2

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024; 2.太原理工大學水資源與環境地質研究所，山西 太原 030024)

地源熱泵是一種能夠利用淺層低溫地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能熱泵系統。土壤源熱泵是地源熱泵的一種，它利用地表淺層土壤儲藏的太陽能作為冷熱源進行能量轉換。國土資源部2009年～2011年的最新評價顯示，中國淺層地溫能資源量相當于95億t標準煤，每年淺層地溫能可利用資源量相當于3.5億t標準煤。土壤源熱泵憑借其環保、節能的優點，在近些年獲得國家的明確支持和大力推廣。根據《太原市國家可再生能源示范城市實施方案》2010年～2011年太原市土壤源熱泵技術應用建筑面積從44.74萬m2增加到81.52萬m2，占示范任務的比例由17.42%上升到30.24%。由于在現場測試中會出現導熱系數等測試數據與實際數值偏差過大的現象，如美國明尼蘇達州的現場熱響應測試[1]及英國一棟辦公樓夏季的管內流體平均溫度測試[2]，使得水文地質因素對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注。本文著重介紹含水率和滲流兩個水文地質因素對地埋管換熱器換熱能力影響的研究進展。

1 含水率對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，其中導熱系數以固體最大約為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其導熱系數起決定作用，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驗測試和數值模擬兩方面對土壤含水率進行了研究。其中，張玲等[3]在杭州高教園區搭建土壤源熱泵實驗臺，利用探針法測試出不同干密度的土壤導熱系數;張旭等[4]同樣利用探針法，對純土、純砂、土砂1∶2混合物、土砂2∶1混合物四種工況進行測試;劉宇[5]建立導熱系數測量裝置并與SEI-3型熱物性測定儀同時測量土、水、砂土8種比例混合物的熱物性。實驗測試結果均顯示土壤導熱系數隨著含水率的增大而增大。楊睿[6]采用非平衡熱力學理論，建立一維瞬態熱濕遷移模型，模擬了不同含水率對土壤溫度場的影響，結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內，在其穿透的地層中或多或少都存在著地下水滲流，尤其是在沿海或地下水豐富的地區甚至有地下水的流動[7]。目前地埋管換熱器的傳熱模型僅考慮了熱傳導過程，而忽視了地下水流動產生的對流換熱過程，導致埋管尺寸設計的偏差，影響系統運行的穩定性。因此研究地下水滲流對地埋管換熱器換熱能力的影響尤為重要，國內學者通過實驗測試和數值模擬兩個方面對滲流影響進行了研究。

2.1 實驗測試

在室內實驗測試研究方面具有代表性的是哈爾濱工程大學，其通過將地埋管換熱器概化為一根電加熱器模擬線熱源，在達西定律基礎上搭建了可以模擬地下水流動的土壤源熱泵砂箱實驗臺。其中姚楊、李斌[8，9]研究了地下水滲流速度以及相對于地埋管位置的滲流方向對土壤溫度場的影響，結果表明滲流速度越大地埋管周圍溫度越低;地下水滲流對上游溫度的升高起阻礙作用，阻礙作用隨熱負荷的增加而增強;地下水滲流對下游溫度的升高起促進作用，促進作用隨熱負荷的增加而增強;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]分別研究了無滲流土壤、飽和土壤、有滲流土壤中地埋管換熱器熱負荷對其周邊土壤溫度場的影響，得出在夏熱冬冷地區或亞熱帶地區應用土壤源熱泵時，可將地埋管換熱器埋設在地下水流速較大地區，有助于土壤源熱泵的長期良好運行。因此，地下水滲流可避免周圍的能量累積效應，有利于提高熱泵系統的運行效率。此外馮琛琛等[10]也通過建立地源熱泵砂箱實驗臺進行測試，得出地下水滲流可以強化地埋管換熱的結論。另外，隨著滲流速度的增大，溫度場最高值的位置沿滲流方向向下游偏移，因此在管群布置時，應增大下游埋管間距，以利于埋管的換熱。劉東林[11]布設U形管群進行干砂及飽和砂換熱實驗，結果顯示相同時間內飽和砂狀態下產生的溫度場范圍明顯小于干砂狀態，換熱效率高于干砂，有利于地埋管換熱。

2.2 數值模擬

考慮到地下水滲流對土壤源熱泵的影響，研究人員在線源理論、柱源理論、能量守恒的基礎上耦合達西定律等滲流方程建立熱滲耦合的傳熱模型。梁月明等[12]以沈陽市植物園為例，通過建立數學模型計算繪制了不同滲流速度下三種風化程度的花崗混合片麻巖地層等溫線，確定當地地下水滲流對地埋管實際影響程度。范蕊等[13]采用整場離散、整體求解方法，求得冬、夏季工況下管內流體、地埋管換熱器及周圍土壤的溫度場數值解。王金香等[14]建立了U形地埋管換熱器管內流體以及周圍土壤熱滲耦合模型，采用Fluent軟件進行數值計算。均得出結論:滲流能夠增強地埋管換熱器的傳熱能力，選擇地下水滲流速度大的地區有助于土壤源熱泵的長期良好運行;但如果在有滲流的地區不考慮滲流的影響，則會導致設計容量偏大，造成經濟和資源的浪費。

刁乃仁[15]、魏晉[16]通過建立地下水流動二維能量方程，分析了地下水滲流對地埋管換熱器周圍溫度場的影響，得出地下水滲流速度越大，土壤溫度場變形越顯著，達到穩態的時間越短，穩態過余溫度越低。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，在管群布置時可適當增加平行滲流方向的管間距。

3 存在問題及發展前景

傳統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因素的影響，在實際應用中存在很大的局限性。綜上所述，目前國內學者通過實驗測試和數值模擬在含水率和滲流對換熱影響方面進行了相關的研究工作，但缺乏對水文地質參數的綜合考慮，應加強不同水文地質參數與土壤熱物性關系的研究以及工程實地驗證實驗。1)目前國內學者通過搭建土壤源熱泵實驗臺測試和建立數學模型數值模擬，對含水率與土壤導熱系數的關系進行了大量的研究，但土壤的導熱系數與土壤的成分、溫度、密度、孔隙度、飽和度等因素也有關，今后可對其他參數的變化做深入研究，分析各個參數之間的關系，并分別針對飽和土和非飽和土提出基于上述參數的計算土壤導熱系數的新方法，為土壤源熱泵的設計提供參考依據，保證其建設的合理性。2)由于認識到地下水滲流對埋管換熱器的傳熱性能產生重要影響，國內學者在模型實驗及數值模擬兩方面都做了大量研究工作，但目前還沒有公認的表達地埋管換熱器熱滲耦合傳熱過程的模型來指導工程實踐，且已建立的傳熱模型缺少實地驗證。今后可根據各地區實際工程，建立土壤源熱泵監測系統，通過對實際運行條件下監測數據的分析，確定主要影響因素，以改進地埋管換熱器傳熱模型，為土壤源熱泵運行的穩定性及經濟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據的測定[J].浙江建筑，2010(2):66-68.

[4] 張 旭，高曉兵.華東地區土壤及土沙混合物導熱系數的實驗研究[J].暖通空調，2004，34(5):83-89.

[5] 劉 宇.土壤飽和區熱滲耦合傳熱數值計算[D].西安:西安交通大學，2010.

[6] 楊 睿.含熱源土壤熱濕遷移模擬與埋地換熱器實驗研究[D].天津:天津大學，2007.

[7] 范 蕊，馬最良.地下水流動對地下埋管換熱器影響的實驗研究[J].太陽能學報，2007(8):874-880.

[8] 姚 楊，李 斌.熱滲共同作用下地下換熱器的初步實驗研究[A].2006全國暖通空調制冷學術年會[C].2006.

[9] 李 斌.熱滲共同作用下的地下埋管換熱器實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

[10] 馮琛琛，王灃浩.地下水滲流對垂直埋管換熱器換熱性能影響的實驗研究[J].制冷與空調，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:中國地質大學(北京)，2011.

[12] 梁月明，程金明.地質層含水對豎直埋管地熱換熱器影響的研究[J].中國電力教育，2005(S2):104-107.

[13] 范 蕊，馬最良.地下水流動對地下管群換熱器傳熱的影響分析[J].太陽能學報，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數值模擬[J].太陽能學報，2008(7):837-841.

[15] 刁乃仁，李琴云，方肇洪.有滲流時地熱換熱器溫度響應的解析解[J].山東建筑工程學院學報，2003(3):1-5.

[16] 魏 晉.地下水流動對埋地換熱器影響的模擬研究[J].中國建設動態(陽光能源)，2006(6):36-38.