防护工程垂直U形地埋管换热性能的实验研究

(陆军工程大学国防工程学院 南京 210007)

地源热泵系统作为环保高效的节能技术在商业和居民建筑节能领域中均得到广泛的应用[1-2]。其中，垂直U形地埋管占地面积小、适用性强、换热效率高，其换热性能成为暖通空调领域研究的热点[3-4]，在民用建筑中的研究与应用也日趋成熟。在理论模拟方面，刘永等[5-8]建立了U形地埋管的三维数值传热模型，对地埋管的换热性能及影响因素进行了研究，为地埋管换热器传热特性的研究提供理论基础。董艳芳等[9-11]利用软件模拟了不同运行模式下U形地埋管的传热特性，得到各运行模式下换热器的换热规律，结果表明：连续运行工况下，边缘位置的钻孔及较大的渗流速度能够增强换热；间歇运行模式下，土壤温度能在系统间歇期内得到一定程度的恢复，有利于提高地热能利用效率。在实验方面，周志华等[12-17]结合实际工程或实验对U形地埋管周围土壤温度场进行了检测，对比分析数据发现土壤温度场具有延迟性，且探讨了U形地埋管的换热性能与改善措施。蔡颖玲等[18-20]测试了热泵机组在不同工况下运行时U形地埋管换热器的换热情况，认为采用间歇运行的方式，能显著提高埋管换热器换热性能，进而提高热泵机组的运行效率，利于系统的多年稳定运行。

地埋管换热器逐渐应用到防护工程中，研究者基于工程的负荷特点和时间特性及山区岩土体特性，研究了竖直埋管换热器在工程中的适用性及应用形式[21-23]，但是将地埋管技术成功融入到防护工程中仍需进一步研究。在遭遇突袭时，防护工程内部作战系统立即运行，大量设备同时开启、大量人员进入产生大量余热。这与民用建筑中一年的冷热负荷分布情况不同，防护工程对地埋管系统的热处理能力要求更高。工程在长期运行时，内部余热量相对减小，需要考虑土壤的蓄热性能和地埋管系统的使用时间。因此，为探讨防护工程中U形地埋管的传热性能，本文利用南京某地下工程地源热泵实验台，对该处地下土壤原始温度进行了监测；采用恒热流水箱模拟工程此时的余热，在连续与间歇运行两种模式下，对比了埋管的出水温度和钻孔内的土壤温度，分析两种运行模式下的换热量变化，提出地埋管在工程应对突袭时的运行建议。

1 实验台及实验方法

根据工程特点，实验台分为3个系统：室外地下埋管换热系统、流体循环系统和室内数据测量采集系统，如图1所示。

图1 地源热泵实验系统Fig.1 The diagram of test system

针对防护工程使用阶段余热量较大的情况，利用恒热流加热水箱中安装的4 kW电加热器，用于模拟工程内部余热；同时采用时间控制器调节加热器的启停、设置不同的日运行时间，用于地埋管系统在连续和间歇两种运行模式下的实验。选用LD系列电磁流量计测量循环流体的流量，流量值可现场读入，同时也可记录到自控台中存储。测量范围为0.05～5 m3/h，精度为0.5级，额定工作压力4.0 MPa。

实验采用U形垂直地埋管，管外径32 mm，内径26 mm；埋管埋于山区，周围土壤结构包括：地下1～5 m为干饱和土壤，5～20 m为湿粉砂土，20～50 m为饱和含水层，50 m以下为含裂隙水的岩土层。在钻孔进、出水口处各布置2个温度测点，用来测量U形管进、出水口温度；为研究土壤不同埋深下的热恢复能力，沿钻孔的轴向方向布置3处测点，共6个温度测点，分布如图2所示。

图2 单个钻孔内温度测点分布Fig.2 The placement of the temperature sensors

对U形地埋管进行实验，分为4个部分：1)10月16日 00∶00～10月20日 00∶00进行原始地温测试；2)10月20日12∶00～10月21日 12∶00连续运行24 h； 3)10月21日 12∶00～10月23日 12∶00期间停机，让地温自然恢复；4)10月23日12∶00～10月25日 00∶00间歇运行实验。可由实验测试对象求得钻孔的瞬时换热量，具体数据处理如下：

Q=ρcpL(tin-tout)

(1)

式中：Q为埋管换热器瞬时换热量，W；ρ为循环水流体的密度,kg/m3;cp为循环水流体比热容，kJ/(kg·℃)；L为地埋管内流体流量，m3/h；tin，tout分别为埋管进、出口流体平均温度，℃。

地埋管的单位孔深的换热量：

(2)

式中:ql为单位孔深换热量，W/m；l为埋管深度，m。

2 实验结果与分析

2.1 土壤原始温度测试

图3所示为地下初始温度在10月16日 00∶00～10月20日 00∶00随时间的变化。地面以下0.5 m处温度变化受当天气温的影响，可看作是周期性的温度波动，在每天14∶00温度波达到峰值，在6∶00降到谷值，温度变化范围为17～19.5 ℃。由于地层的蓄热作用，温度波向地下深处传递时，波幅随深度衰减，深层地下土壤的原始温度波幅为0，其温度值恒定，地下25 m处土壤温度为16.7 ℃，55 m深处为17.5 ℃，95 m深处为18.4 ℃。

图3 地下初始温度随时间的变化Fig.3 The initial temperature of underground changes with time

开启循环水泵，待埋管进、出口水温恒定且二者差值趋于0时得到的温度数据即为地温的平均值[24]。如图4所示，埋管进、出口的水温逐渐上升，在65 min之后，进出口温差小于0.3 ℃，且进、出口温度趋于稳定，可得到平均地温为17.4 ℃。

图4 平均地温Fig.4 The mean underground temperature

2.2 日运行24 h连续实验

10月20日12∶00～10月21日12∶00为24 h连续运行工况，进、出口水温变化如图5所示。

图5 连续运行实验进出口水温随时间的变化Fig.5 The inlet and outlet temperatures change with time in continuous operation

由图5可知，在水箱的连续加热作用下，进口水温明显上升，最后逐渐趋于稳定，其值为32.5 ℃；出口水温在10月20日12∶00～18∶00内明显上升，由初始的18 ℃上升到24.8 ℃，随着时间的推移，上升幅度逐渐变得平缓，最后时刻出口水温度为28.8 ℃；进、出口温差随运行时间的延长而逐渐减小。这是由于系统开始运行时埋管周围土壤温度为初始温度，U形管内循环水与土壤的换热效果明显，出口水温较低，随着放热的进行，埋管周围土壤温度不断升高，埋管换热效果随之降低，出口水温随运行时间的推移而升高，并且由于10月20日12∶00～10月21日00∶00内埋管周围土壤热量来不及扩散，导致出口水温上升幅度较大。

2.3 日运行12 h间歇实验

间歇运行传热实验分为3个阶段：连续运行12 h后，停机12 h用作地温自然恢复，再运行12 h。进、出口水温如图6所示。

图6 间歇运行实验进出口水温随时间的变化Fig.6 The inlet and outlet temperatures change with the in intermittent operation

图6中前12 h(10月23日12∶00～10月24日00∶00)为加热阶段，然后停机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)为第二次加热阶段。运行3 h后，进、出口水温趋于平稳，且两条曲线基本平行，进、出口水温差无明显变化；第一次加热阶段平均进口水温为27.5 ℃，出口水温为23 ℃，第二次加热阶段平均进口水温为27.3 ℃，出口水温为22.7 ℃，这是由于在运行期的12 h内埋管与土壤的换热能力保持在较高水平，出口水温没有明显升高，而机组停机12 h使前一阶段土壤中堆积的热量及时扩散，有利于地下土壤温度的恢复，因此在第二次加热期内，进、出口水温差仍保持在同一水平。

2.4 连续/间歇运行模式下单位孔深换热量

在连续、间歇运行两种模式下地埋管的单位孔深换热量ql随时间的变化如图7所示。

图7 不同运行模式下的单位孔深换热量对比Fig.7 The heat exchange of each borehole under different modes

观察连续运行工况下单位孔深换热量ql随时间的变化，0～4 h内ql快速上升，在4 h达到最大值75 W/m，这是由于系统运行初期，地下土壤处于初始温度，随着水箱的连续加热，埋管进口水温逐渐升高，循环流体与土壤间的换热强度持续升高；在4～9 hql曲线快速下降，9 h时ql为33 W/m，9～14 h下降幅度变缓，在14 hql达到最小值21 W/m，这是因为随着放热的进行，埋管周围土壤热量不断堆积，换热效果开始降低，并且4～9 h内下降幅度较大，9～14 h换热趋向于平衡，ql下降幅度变缓；14～24 h内换热基本平衡，其值为21 W/m。最终，连续运行工况下ql基本保持在21 W/m。

由间歇运行工况下ql随时间的变化可知，在第一个运行阶段0～12 h内，ql由最大值73 W/m下降为22 W/m，下降幅度由快变慢；第二个运行阶段在24 h时埋管ql再次达到最大值73 W/m，随后ql开始下降，最后时刻ql为26 W/m。间歇工况两个运行阶段的ql变化基本相同。最终，间歇运行工况下ql为27.6 W/m。

对比两种运行方式，间歇工况在第一次运行的时间段内埋管ql曲线变化趋势与连续运行工况基本一致，而第二次运行阶段中ql曲线明显高于连续运行工况在12～24 h内的ql曲线。分别求两种运行模式下24 h内ql的平均值，得到连续运行模式平均ql为22.3 W/m，间歇运行模式平均ql为27.6 W/m，与连续运行模式相比提高了23.7 %。

2.5 地下土壤温度变化

由温度测点得到10月19日00∶00～10月25日12∶00时间内钻孔内土壤温度变化如图8所示。

图8 实验期间地下土壤温度的变化Fig.8 The variation of underground temperature

在10月20日12∶00～10月21日12∶00连续加热运行期间，地下土壤温度明显上升，25 m深处温度由16.7 ℃升高到20.9 ℃，且随着时间的延长，上升速率逐渐变小；55 m深处温度由17.5 ℃升高到19.2 ℃；95 m深处土壤温度由18.4 ℃升高到19 ℃，埋管中流体温度顺着埋深方向逐渐降低，因此温度上升幅度随土壤深度的增加而减小。

10月21日12∶00水箱停止加热，土壤进入恢复期，25 m深处土壤温度在21日12∶00～22日00∶00迅速下降，之后趋于平缓，22日21∶00土壤温度为16.9 ℃，比原始温度升高了1.19%；55 m深处土壤温度恢复为17.7 ℃，比原始温度升高了1.14%；95 m深处土壤温度恢复为18.5 ℃，比原始温度升高了0.54%。不同深度土壤的温度在自然恢复48 h后与初始值相比有小幅度的升高，95 m深处地温变化幅度最小，25 m、55 m深处与原始温度相差小于5%，可认为地温已恢复平衡。

在10月23日12∶00～10月25日00∶00间歇运行期间，两次加热运行阶段中25 m深处土壤温度在12 h内均上升到20.6 ℃，在10月24日00∶00～12∶00停机间歇期温度恢复到17 ℃，与原始温度相差1.79%；55 m深处土壤温度在加热运行阶段上升至19 ℃，在中间停机期恢复到17.8 ℃，与原始温度相差1.71%；95 m深处土壤温度在加热运行阶段上升至18.9 ℃，在中间停机期恢复到18.55 ℃，与原始温度相差0.81%，可认为土壤温度经过12 h恢复到原始温度，为下一个阶段的运行提供了较好的换热条件。

对比两种工况的结果发现，间歇12 h运行时，钻孔初始时的局部换热量与24 h连续运行时相差较大，但总的相等时间内钻孔的平均换热量要大于连续运行。同时因为在10月24日00∶00～12∶00停机期内，埋管周围土壤温度得到有效恢复，热量堆积现象减缓，所以间歇运行工况温升幅度小于连续运行工况，说明间歇运行能有效减缓土壤温升。

防护工程在遭遇突袭时，要求地埋管系统能够迅速处理工程内部短期产生的大量余热，因此建议防护工程此时采用连续运行模式；但在进入使用期后，由于防护工程的余热量相对降低，且工程根据使用级别的不同其运行时间也有差别，等级较高的工程甚至要求保障时间达到数月以上，故建议工程此时采用间歇运行模式，合理调控机组启停时间以延长地埋管系统的余热处理时间。

为了描述防护工程地埋管热泵系统在应对突袭时的保障水平，拟将连续运行模式下埋管与周围土壤换热过程趋于稳定时的时间称为热稳定时间，确定公式为：

(qj+1-qj)/qj

(3)

式中：j为地埋管系统运行时间，h；f为阈值，根据不同等级工程取值不同，文中工程取5%。

热稳定时间反映了防护工程地埋管系统应对短期大量余热的有效处理能力，建议将热稳定时间及该时间内的埋管换热量作为工程地埋管系统应突处理能力的评价指标之一。如图7所示，第14 h和15 h时的埋管ql变化与第14 h的ql的比为2.4%，开始小于5%，认为该时刻埋管与土壤的换热达到稳定。经计算，该防护工程本次实验测得的热稳定时间为14 h，14 h内换热量为1 310.4 kJ/m。

3 结论

基于南京某地下工程地源热泵实验台，对垂直U形地埋管的换热性能进行了实验研究，为地埋管换热器在防护工程中的应用、在类似山地土壤结构中的运行提供借鉴，结论如下：

1)连续运行工况会使地埋管与土壤间的换热效果减弱，使机组处于低效状态。间歇运行工况的停机时间使前一阶段循环水向土壤排放的热量及时扩散，弥补了土壤热扩散能力的不足。当日运行时间由连续运行24 h转变为运行12 h、间歇停机12 h后，钻孔的平均ql由22.3 W/m升高至27.6 W/m，提高了23.7 %。

2)分析测试期间地下恒温层土壤的温度变化，在换热期间土壤有明显的升温现象，间歇运行模式下该现象得到有效减缓，因此工程长期使用时应采用间歇运行模式，合理调控埋管换热器日运行时间，有利于避免热量聚集，可使换热能力保持在较高水平。

3)由于间歇运行时钻孔初始时局部ql与连续运行时相差较大，但总的相等时间内钻孔的平均ql要大于连续运行。建议防护工程在应对突袭时采用连续运行模式，并将热稳定时间和该时间内的ql作为工程地埋管系统应突处理能力的评价指标之一，该工程本次实验测得的热稳定时间为14 h及14 h内换热量为1 310.4 kJ/m。

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