(陸軍工程大學國防工程學院 南京 210007)

地源熱泵系統(tǒng)作為環(huán)保高效的節(jié)能技術在商業(yè)和居民建筑節(jié)能領域中均得到廣泛的應用[1-2]。其中，垂直U形地埋管占地面積小、適用性強、換熱效率高，其換熱性能成為暖通空調(diào)領域研究的熱點[3-4]，在民用建筑中的研究與應用也日趨成熟。在理論模擬方面，劉永等[5-8]建立了U形地埋管的三維數(shù)值傳熱模型，對地埋管的換熱性能及影響因素進行了研究，為地埋管換熱器傳熱特性的研究提供理論基礎。董艷芳等[9-11]利用軟件模擬了不同運行模式下U形地埋管的傳熱特性，得到各運行模式下?lián)Q熱器的換熱規(guī)律，結果表明：連續(xù)運行工況下，邊緣位置的鉆孔及較大的滲流速度能夠增強換熱；間歇運行模式下，土壤溫度能在系統(tǒng)間歇期內(nèi)得到一定程度的恢復，有利于提高地熱能利用效率。在實驗方面，周志華等[12-17]結合實際工程或實驗對U形地埋管周圍土壤溫度場進行了檢測，對比分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)土壤溫度場具有延遲性，且探討了U形地埋管的換熱性能與改善措施。蔡穎玲等[18-20]測試了熱泵機組在不同工況下運行時U形地埋管換熱器的換熱情況，認為采用間歇運行的方式，能顯著提高埋管換熱器換熱性能，進而提高熱泵機組的運行效率，利于系統(tǒng)的多年穩(wěn)定運行。

地埋管換熱器逐漸應用到防護工程中，研究者基于工程的負荷特點和時間特性及山區(qū)巖土體特性，研究了豎直埋管換熱器在工程中的適用性及應用形式[21-23]，但是將地埋管技術成功融入到防護工程中仍需進一步研究。在遭遇突襲時，防護工程內(nèi)部作戰(zhàn)系統(tǒng)立即運行，大量設備同時開啟、大量人員進入產(chǎn)生大量余熱。這與民用建筑中一年的冷熱負荷分布情況不同，防護工程對地埋管系統(tǒng)的熱處理能力要求更高。工程在長期運行時，內(nèi)部余熱量相對減小，需要考慮土壤的蓄熱性能和地埋管系統(tǒng)的使用時間。因此，為探討防護工程中U形地埋管的傳熱性能，本文利用南京某地下工程地源熱泵實驗臺，對該處地下土壤原始溫度進行了監(jiān)測；采用恒熱流水箱模擬工程此時的余熱，在連續(xù)與間歇運行兩種模式下，對比了埋管的出水溫度和鉆孔內(nèi)的土壤溫度，分析兩種運行模式下的換熱量變化，提出地埋管在工程應對突襲時的運行建議。

1 實驗臺及實驗方法

根據(jù)工程特點，實驗臺分為3個系統(tǒng)：室外地下埋管換熱系統(tǒng)、流體循環(huán)系統(tǒng)和室內(nèi)數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 地源熱泵實驗系統(tǒng)Fig.1 The diagram of test system

針對防護工程使用階段余熱量較大的情況，利用恒熱流加熱水箱中安裝的4 kW電加熱器，用于模擬工程內(nèi)部余熱；同時采用時間控制器調(diào)節(jié)加熱器的啟停、設置不同的日運行時間，用于地埋管系統(tǒng)在連續(xù)和間歇兩種運行模式下的實驗。選用LD系列電磁流量計測量循環(huán)流體的流量，流量值可現(xiàn)場讀入，同時也可記錄到自控臺中存儲。測量范圍為0.05～5 m3/h，精度為0.5級，額定工作壓力4.0 MPa。

實驗采用U形垂直地埋管，管外徑32 mm，內(nèi)徑26 mm；埋管埋于山區(qū)，周圍土壤結構包括：地下1～5 m為干飽和土壤，5～20 m為濕粉砂土，20～50 m為飽和含水層，50 m以下為含裂隙水的巖土層。在鉆孔進、出水口處各布置2個溫度測點，用來測量U形管進、出水口溫度；為研究土壤不同埋深下的熱恢復能力，沿鉆孔的軸向方向布置3處測點，共6個溫度測點，分布如圖2所示。

圖2 單個鉆孔內(nèi)溫度測點分布Fig.2 The placement of the temperature sensors

對U形地埋管進行實驗，分為4個部分：1)10月16日 00∶00～10月20日 00∶00進行原始地溫測試；2)10月20日12∶00～10月21日 12∶00連續(xù)運行24 h； 3)10月21日 12∶00～10月23日 12∶00期間停機，讓地溫自然恢復；4)10月23日12∶00～10月25日 00∶00間歇運行實驗?？捎蓪嶒灉y試對象求得鉆孔的瞬時換熱量，具體數(shù)據(jù)處理如下：

Q=ρcpL(tin-tout)

(1)

式中：Q為埋管換熱器瞬時換熱量，W；ρ為循環(huán)水流體的密度,kg/m3;cp為循環(huán)水流體比熱容，kJ/(kg·℃)；L為地埋管內(nèi)流體流量，m3/h；tin，tout分別為埋管進、出口流體平均溫度，℃。

地埋管的單位孔深的換熱量：

(2)

式中:ql為單位孔深換熱量，W/m；l為埋管深度，m。

2 實驗結果與分析

2.1 土壤原始溫度測試

圖3所示為地下初始溫度在10月16日 00∶00～10月20日 00∶00隨時間的變化。地面以下0.5 m處溫度變化受當天氣溫的影響，可看作是周期性的溫度波動，在每天14∶00溫度波達到峰值，在6∶00降到谷值，溫度變化范圍為17～19.5 ℃。由于地層的蓄熱作用，溫度波向地下深處傳遞時，波幅隨深度衰減，深層地下土壤的原始溫度波幅為0，其溫度值恒定，地下25 m處土壤溫度為16.7 ℃，55 m深處為17.5 ℃，95 m深處為18.4 ℃。

圖3 地下初始溫度隨時間的變化Fig.3 The initial temperature of underground changes with time

開啟循環(huán)水泵，待埋管進、出口水溫恒定且二者差值趨于0時得到的溫度數(shù)據(jù)即為地溫的平均值[24]。如圖4所示，埋管進、出口的水溫逐漸上升，在65 min之后，進出口溫差小于0.3 ℃，且進、出口溫度趨于穩(wěn)定，可得到平均地溫為17.4 ℃。

圖4 平均地溫Fig.4 The mean underground temperature

2.2 日運行24 h連續(xù)實驗

10月20日12∶00～10月21日12∶00為24 h連續(xù)運行工況，進、出口水溫變化如圖5所示。

圖5 連續(xù)運行實驗進出口水溫隨時間的變化Fig.5 The inlet and outlet temperatures change with time in continuous operation

由圖5可知，在水箱的連續(xù)加熱作用下，進口水溫明顯上升，最后逐漸趨于穩(wěn)定，其值為32.5 ℃；出口水溫在10月20日12∶00～18∶00內(nèi)明顯上升，由初始的18 ℃上升到24.8 ℃，隨著時間的推移，上升幅度逐漸變得平緩，最后時刻出口水溫度為28.8 ℃；進、出口溫差隨運行時間的延長而逐漸減小。這是由于系統(tǒng)開始運行時埋管周圍土壤溫度為初始溫度，U形管內(nèi)循環(huán)水與土壤的換熱效果明顯，出口水溫較低，隨著放熱的進行，埋管周圍土壤溫度不斷升高，埋管換熱效果隨之降低，出口水溫隨運行時間的推移而升高，并且由于10月20日12∶00～10月21日00∶00內(nèi)埋管周圍土壤熱量來不及擴散，導致出口水溫上升幅度較大。

2.3 日運行12 h間歇實驗

間歇運行傳熱實驗分為3個階段：連續(xù)運行12 h后，停機12 h用作地溫自然恢復，再運行12 h。進、出口水溫如圖6所示。

圖6 間歇運行實驗進出口水溫隨時間的變化Fig.6 The inlet and outlet temperatures change with the in intermittent operation

圖6中前12 h(10月23日12∶00～10月24日00∶00)為加熱階段，然后停機12 h(10月24日00∶00～10月24日12∶00)，后12 h(10月24日12∶00～10月25日00∶00)為第二次加熱階段。運行3 h后，進、出口水溫趨于平穩(wěn)，且兩條曲線基本平行，進、出口水溫差無明顯變化；第一次加熱階段平均進口水溫為27.5 ℃，出口水溫為23 ℃，第二次加熱階段平均進口水溫為27.3 ℃，出口水溫為22.7 ℃，這是由于在運行期的12 h內(nèi)埋管與土壤的換熱能力保持在較高水平，出口水溫沒有明顯升高，而機組停機12 h使前一階段土壤中堆積的熱量及時擴散，有利于地下土壤溫度的恢復，因此在第二次加熱期內(nèi)，進、出口水溫差仍保持在同一水平。

2.4 連續(xù)/間歇運行模式下單位孔深換熱量

在連續(xù)、間歇運行兩種模式下地埋管的單位孔深換熱量ql隨時間的變化如圖7所示。

圖7 不同運行模式下的單位孔深換熱量對比Fig.7 The heat exchange of each borehole under different modes

觀察連續(xù)運行工況下單位孔深換熱量ql隨時間的變化，0～4 h內(nèi)ql快速上升，在4 h達到最大值75 W/m，這是由于系統(tǒng)運行初期，地下土壤處于初始溫度，隨著水箱的連續(xù)加熱，埋管進口水溫逐漸升高，循環(huán)流體與土壤間的換熱強度持續(xù)升高；在4～9 hql曲線快速下降，9 h時ql為33 W/m，9～14 h下降幅度變緩，在14 hql達到最小值21 W/m，這是因為隨著放熱的進行，埋管周圍土壤熱量不斷堆積，換熱效果開始降低，并且4～9 h內(nèi)下降幅度較大，9～14 h換熱趨向于平衡，ql下降幅度變緩；14～24 h內(nèi)換熱基本平衡，其值為21 W/m。最終，連續(xù)運行工況下ql基本保持在21 W/m。

由間歇運行工況下ql隨時間的變化可知，在第一個運行階段0～12 h內(nèi)，ql由最大值73 W/m下降為22 W/m，下降幅度由快變慢；第二個運行階段在24 h時埋管ql再次達到最大值73 W/m，隨后ql開始下降，最后時刻ql為26 W/m。間歇工況兩個運行階段的ql變化基本相同。最終，間歇運行工況下ql為27.6 W/m。

對比兩種運行方式，間歇工況在第一次運行的時間段內(nèi)埋管ql曲線變化趨勢與連續(xù)運行工況基本一致，而第二次運行階段中ql曲線明顯高于連續(xù)運行工況在12～24 h內(nèi)的ql曲線。分別求兩種運行模式下24 h內(nèi)ql的平均值，得到連續(xù)運行模式平均ql為22.3 W/m，間歇運行模式平均ql為27.6 W/m，與連續(xù)運行模式相比提高了23.7 %。

2.5 地下土壤溫度變化

由溫度測點得到10月19日00∶00～10月25日12∶00時間內(nèi)鉆孔內(nèi)土壤溫度變化如圖8所示。

圖8 實驗期間地下土壤溫度的變化Fig.8 The variation of underground temperature

在10月20日12∶00～10月21日12∶00連續(xù)加熱運行期間，地下土壤溫度明顯上升，25 m深處溫度由16.7 ℃升高到20.9 ℃，且隨著時間的延長，上升速率逐漸變小；55 m深處溫度由17.5 ℃升高到19.2 ℃；95 m深處土壤溫度由18.4 ℃升高到19 ℃，埋管中流體溫度順著埋深方向逐漸降低，因此溫度上升幅度隨土壤深度的增加而減小。

10月21日12∶00水箱停止加熱，土壤進入恢復期，25 m深處土壤溫度在21日12∶00～22日00∶00迅速下降，之后趨于平緩，22日21∶00土壤溫度為16.9 ℃，比原始溫度升高了1.19%；55 m深處土壤溫度恢復為17.7 ℃，比原始溫度升高了1.14%；95 m深處土壤溫度恢復為18.5 ℃，比原始溫度升高了0.54%。不同深度土壤的溫度在自然恢復48 h后與初始值相比有小幅度的升高，95 m深處地溫變化幅度最小，25 m、55 m深處與原始溫度相差小于5%，可認為地溫已恢復平衡。

在10月23日12∶00～10月25日00∶00間歇運行期間，兩次加熱運行階段中25 m深處土壤溫度在12 h內(nèi)均上升到20.6 ℃，在10月24日00∶00～12∶00停機間歇期溫度恢復到17 ℃，與原始溫度相差1.79%；55 m深處土壤溫度在加熱運行階段上升至19 ℃，在中間停機期恢復到17.8 ℃，與原始溫度相差1.71%；95 m深處土壤溫度在加熱運行階段上升至18.9 ℃，在中間停機期恢復到18.55 ℃，與原始溫度相差0.81%，可認為土壤溫度經(jīng)過12 h恢復到原始溫度，為下一個階段的運行提供了較好的換熱條件。

對比兩種工況的結果發(fā)現(xiàn)，間歇12 h運行時，鉆孔初始時的局部換熱量與24 h連續(xù)運行時相差較大，但總的相等時間內(nèi)鉆孔的平均換熱量要大于連續(xù)運行。同時因為在10月24日00∶00～12∶00停機期內(nèi)，埋管周圍土壤溫度得到有效恢復，熱量堆積現(xiàn)象減緩，所以間歇運行工況溫升幅度小于連續(xù)運行工況，說明間歇運行能有效減緩土壤溫升。

防護工程在遭遇突襲時，要求地埋管系統(tǒng)能夠迅速處理工程內(nèi)部短期產(chǎn)生的大量余熱，因此建議防護工程此時采用連續(xù)運行模式；但在進入使用期后，由于防護工程的余熱量相對降低，且工程根據(jù)使用級別的不同其運行時間也有差別，等級較高的工程甚至要求保障時間達到數(shù)月以上，故建議工程此時采用間歇運行模式，合理調(diào)控機組啟停時間以延長地埋管系統(tǒng)的余熱處理時間。

為了描述防護工程地埋管熱泵系統(tǒng)在應對突襲時的保障水平，擬將連續(xù)運行模式下埋管與周圍土壤換熱過程趨于穩(wěn)定時的時間稱為熱穩(wěn)定時間，確定公式為：

(qj+1-qj)/qj

(3)

式中：j為地埋管系統(tǒng)運行時間，h；f為閾值，根據(jù)不同等級工程取值不同，文中工程取5%。

熱穩(wěn)定時間反映了防護工程地埋管系統(tǒng)應對短期大量余熱的有效處理能力，建議將熱穩(wěn)定時間及該時間內(nèi)的埋管換熱量作為工程地埋管系統(tǒng)應突處理能力的評價指標之一。如圖7所示，第14 h和15 h時的埋管ql變化與第14 h的ql的比為2.4%，開始小于5%，認為該時刻埋管與土壤的換熱達到穩(wěn)定。經(jīng)計算，該防護工程本次實驗測得的熱穩(wěn)定時間為14 h，14 h內(nèi)換熱量為1 310.4 kJ/m。

3 結論

基于南京某地下工程地源熱泵實驗臺，對垂直U形地埋管的換熱性能進行了實驗研究，為地埋管換熱器在防護工程中的應用、在類似山地土壤結構中的運行提供借鑒，結論如下：

1)連續(xù)運行工況會使地埋管與土壤間的換熱效果減弱，使機組處于低效狀態(tài)。間歇運行工況的停機時間使前一階段循環(huán)水向土壤排放的熱量及時擴散，彌補了土壤熱擴散能力的不足。當日運行時間由連續(xù)運行24 h轉變?yōu)檫\行12 h、間歇停機12 h后，鉆孔的平均ql由22.3 W/m升高至27.6 W/m，提高了23.7 %。

2)分析測試期間地下恒溫層土壤的溫度變化，在換熱期間土壤有明顯的升溫現(xiàn)象，間歇運行模式下該現(xiàn)象得到有效減緩，因此工程長期使用時應采用間歇運行模式，合理調(diào)控埋管換熱器日運行時間，有利于避免熱量聚集，可使換熱能力保持在較高水平。

3)由于間歇運行時鉆孔初始時局部ql與連續(xù)運行時相差較大，但總的相等時間內(nèi)鉆孔的平均ql要大于連續(xù)運行。建議防護工程在應對突襲時采用連續(xù)運行模式，并將熱穩(wěn)定時間和該時間內(nèi)的ql作為工程地埋管系統(tǒng)應突處理能力的評價指標之一，該工程本次實驗測得的熱穩(wěn)定時間為14 h及14 h內(nèi)換熱量為1 310.4 kJ/m。

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