巖溶地下水滲流-傳熱地埋管試驗(yàn)平臺(tái)的研制及模型試驗(yàn)

曾召田，劉兆強(qiáng)，徐云山，2，張炳暉，梁 珍

（1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)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(jìn)行熱量交換，將淺層地?zé)崮芴崛〕鰜硪怨┙ㄖ飪?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(diǎn)，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(jì)、運(yùn)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(duì)地埋管換熱效果的影響[3]等。一些學(xué)者針對(duì)上述問題進(jìn)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(shí)伴有明顯的地下水流動(dòng)[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(yùn)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(gè)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(shí)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(duì)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(xué)者分別從模型試驗(yàn)、原位試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面對(duì)滲流條件下地埋管的傳熱效能進(jìn)行大量研究。鄭川[8]通過一維模型試驗(yàn)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(dòng)的土壤源熱泵砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了地下水滲流對(duì)地埋管換熱性能的影響。曾召田[4]在地源熱泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了巖溶地下水位的季節(jié)性變化情況，但未實(shí)際分析滲流對(duì)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(duì)地下水滲流對(duì)地埋管換熱性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。然而，上述研究均未針對(duì)巖溶地區(qū)特殊的地層條件進(jìn)行具體試驗(yàn)，因此，研究結(jié)果不能真實(shí)反映出巖溶地下水滲流對(duì)地埋管換熱性能的影響。同時(shí)，原位試驗(yàn)存在運(yùn)行周期長、影響因素多、實(shí)際操作難等缺點(diǎn)，數(shù)值模擬雖然簡(jiǎn)單、高效，但需要原位試驗(yàn)或者模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐和驗(yàn)證，而模型試驗(yàn)具有能夠有效控制試驗(yàn)條件、縮短試驗(yàn)周期等優(yōu)點(diǎn)，既可實(shí)時(shí)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(shí)踐證明模型試驗(yàn)是上述3類方法中最為行之有效的研究手段。

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

1 試驗(yàn)平臺(tái)

圖1為桂林巖溶區(qū)某土壤源熱泵系統(tǒng)平臺(tái)示意圖。該平臺(tái)地處漓江流域和屏風(fēng)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(duì)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(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。主要包括試驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)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(shí)。為了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(duì)同一水平層位進(jìn)行密集監(jiān)測(cè)。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(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)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(duì)于室內(nèi)模型試驗(yàn)而言，采用天然的裂隙石灰?guī)r進(jìn)行箱體土層填筑具有相當(dāng)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(chǎng)，經(jīng)篩分試驗(yàn)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(xué)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(yàn)獲取了中砂和紅黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

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

試驗(yàn)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(gè)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(duì)地埋管換熱的影響，本文按夏季制冷GSHP運(yùn)行模式分別進(jìn)行了4個(gè)工況的模型試驗(yàn)。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(duì)應(yīng)的水力梯度約為0，0.04，0.08和0.12。具體試驗(yàn)概況見表2。

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

2.2 試驗(yàn)過程

以表2中工況IV為例，具體試驗(yàn)過程如下。

制備土樣：將取回的紅黏土樣風(fēng)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(jìn)行飽和。

分層擊實(shí)：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(yàn)土箱內(nèi)，采用分層擊實(shí)法將土樣擊至目標(biāo)干密度和層位，共分15層擊實(shí)，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(duì)位置不隨擊實(shí)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(jìn) 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(yàn)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(duì)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(jìn)行注水，待溢流孔和出水孔出水量穩(wěn)定，即滲流場(chǎng)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(biāo)值，待溫度達(dá)設(shè)定值且恒定，如圖4（f）。

調(diào)試自動(dòng)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(shí)設(shè)置好自動(dòng)采集開始時(shí)間，如圖4（g）。

開始試驗(yàn)：確保滲流場(chǎng)和恒溫水箱循環(huán)水溫度達(dá)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(jìn)換熱銅管與土層進(jìn)行熱交換，如 圖4（h）。

圖4 模型試驗(yàn)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(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖5（a）～圖5（d）分 別 表 示 圖3中 測(cè) 點(diǎn)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(duì)土層加熱過程中，換熱銅管附近各測(cè)點(diǎn)（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(yuǎn)處，由于熱量擴(kuò)散的滯后作用，土壤溫度一直處于不斷上升階段（溫度變化幅度也較小）。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(shí)間下，在離換熱銅管相同距離右側(cè)測(cè)點(diǎn)（4-1～4-5）的溫升稍大于左側(cè)，這是因?yàn)閾Q熱銅管左、右支分別為入、回水端，對(duì)土層進(jìn)行加熱時(shí)，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(yùn)行時(shí)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(cè)點(diǎn)（4-8～4-12）的溫升明顯小于下游各測(cè)點(diǎn)（4-1～4-5）。而 且，滲 流 速 度 越 大，上 游 土 層 溫 升達(dá)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(cè)點(diǎn)4-5和右測(cè)點(diǎn)4-8為例，在滲 流 速 度3.59×10-6，7.94×10-6，1.08×10-5m/s下，測(cè)點(diǎn)4-4最終溫升分別為8.3，8.4，9.9℃，測(cè)點(diǎn)4-9最終溫升分別為4.9，2.7，3.3℃。由此可見，滲流對(duì)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(jìn)了換熱銅管釋放的熱量向下游傳遞的同時(shí)，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(duì)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(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間明顯減小，表明滲流作用可促使土層溫度場(chǎng)更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這是因?yàn)闈B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(chǎng)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(duì)地埋管換熱量的影響，當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱100h時(shí)，無滲流條件下整個(gè)土層的溫度變化量（近似取所有測(cè)點(diǎn)的平均值）為4.73℃，而滲流速度為1.08×10-5m/s時(shí)整個(gè)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(shí)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(chǎng)云圖（對(duì)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(yùn)行3d后土層溫度場(chǎng)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(shí)，熱換銅管周圍土層溫度場(chǎng)呈同心圓狀分布；滲流作用下，溫度場(chǎng)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?dāng)y帶至遠(yuǎn)端，故遠(yuǎn)端處溫度升高。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，若場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，XZ面層溫度場(chǎng)沿?fù)Q熱銅管軸線對(duì)稱分布；銅管與土層換熱相同時(shí)間后，銅管釋放的熱量對(duì)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?yàn)轱柡蜕巴恋臒醾鲗?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(dá)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?yàn)闈B流能夠更快地將過熱區(qū)域的熱量及時(shí)擴(kuò)散至其它區(qū)域。

圖7 不同滲流速度運(yùn)行3d后土層溫度場(chǎng)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(cè)點(diǎn)溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。

圖8 滲流作用下徑向各測(cè)點(diǎn)溫度隨運(yùn)行時(shí)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(yùn)行模式為制冷，對(duì)應(yīng)表2中的試驗(yàn)工況IV。由圖8可知，滲流作用下，上游各測(cè)點(diǎn)溫升明顯小于下游各測(cè)點(diǎn)，且溫升隨時(shí)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(cè)點(diǎn)溫升趨于穩(wěn)定大約需要3 h，而下游測(cè)點(diǎn)溫升趨于穩(wěn)定需時(shí)可達(dá)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(yùn)移至下游的路徑明顯比上游長，故需時(shí)更長，因而上游各測(cè)點(diǎn)溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)需時(shí)更短。

4 結(jié)論

本文針對(duì)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(yàn)平臺(tái)，探討了不同工況條件下巖溶地下水滲流對(duì)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(duì)地埋管周圍土層溫度場(chǎng)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(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間明顯減少，滲流速度為1.08×10-5m/s時(shí)，整個(gè)土層溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度提升約90%，即滲流作用可有效促進(jìn)地埋管與土層間的換熱速度，本質(zhì)上是因?yàn)闈B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(jì)算發(fā)現(xiàn)，滲流速度為1.08×10-5m/s時(shí)，滲流作用使得地埋管換熱量平均提升了約12.5%。

③滲流對(duì)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(huì)將上游側(cè)熱量攜帶至下游，促進(jìn)了換熱銅管釋放的熱量向下游傳遞的同時(shí)，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(shí)，可以考慮實(shí)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。