【文章內容簡介】 響地下傳熱性能的因素很多。地下傳熱性能隨著每年的不同時間、降水量、地層深度的變化而變化。地源熱泵系統(tǒng)的運行使周圍土壤中水分減少而干燥、或從地下吸熱量和向地下釋熱量不平衡等因素，也都將改變 土壤熱交換器 的傳熱性能。對于 熱交換器 換熱器，其整個傳熱過程是一個復雜的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程， 因而分析其傳熱影響因素至關重要。 （ 1 ） 土壤熱物性 土壤的熱導率和熱擴散率，對地源熱泵系統(tǒng)的設計影響很大。土壤的熱導率表示通過土壤的熱傳導能力。熱擴散率是衡量土壤傳遞和存儲熱量能力的尺度。土壤的含濕量對于這兩個熱物性參數有很大的影響。當 土壤熱交換器 向土壤傳熱 （ 夏季制冷工況 ） 時， 熱交換器 周圍的土壤被干燥，即土壤中的水分擴散減少。這種水分的減少將使土壤的熱導率減小。埋管壁溫的升高，將會使更多的水分從土壤中散失。表現出這種特性的土壤被認為是熱不穩(wěn)定的，并且將大大降低土壤的傳熱性能。 對于豐水地區(qū)或冷負荷較少的北方地區(qū)，熱不穩(wěn)定性不是一個大問題。較高的地下水位或較小的冷負荷使地下水蒸氣含量的降低不明顯。在干燥溫暖的氣候條件下，如西北地區(qū)，在設計過程中，應考慮熱不穩(wěn)定性對 土壤熱交換器 的影響。 （ 2 ） 土壤溫度特性 對當地土壤溫度的精確表述是非常重要的，因為土壤和循環(huán)液之間的溫差是熱傳遞的動力。如上所述常溫帶的地溫接近全年的地上空氣年平均溫度。工程上在 垂直埋管深度 方向上通常取一個平均地層溫度，以便簡化計算。 土壤熱交換器 運行過程中， 熱交換器 周圍土壤的溫度場將發(fā)生變化，隨著地溫變化程度的增加和區(qū)域的擴大，相鄰 熱交換器 之間的換熱將受到影響，把這種因地溫變化而引起的換熱阻力的增加與換熱量的減弱，稱為溫變熱阻。如果在一年中冬季從地下抽取的熱量與夏季向地下注人的熱量不平衡，多余的熱量 （ 或冷量 ） 就會在地下積累，引起地下年平均溫 度的變化。溫變熱阻將增大， 土壤熱交換器 效能將降低。模擬計算結果表明 [ 28] ：在相同的設計條件下，設計埋管總長度隨著冷熱負荷比的增大和 土壤熱交換器 設計時限的延長而增加。即冷熱負荷的不平衡對 土壤熱交換器 的設計容量有很大影響。以 10 年設計時限為例，冷熱負荷比為 2 ： 1 時的 土壤熱交換器 設計容量是冷熱負荷比為 1 ： 1 時的 1 ． 5 倍。當然這里未考慮其他因素如地下水滲流的影響。 熱交換器 間距的適當增加，可有效地減少溫變熱阻。 （ 3 ） 地下水滲流 地下水的滲流或流動對通過土壤進行的熱交換有著顯著的影響。此時不僅土壤通過熱傳導換熱， 而且還通過地下水的滲流或流動形成對流換熱。這將大大增強 土壤熱交換器 的熱交換能力。尤其是當 土壤熱交換器 冷熱負荷不平衡時，地下水的滲流或流動將有效地減弱這一現象。如果地下水流動活躍，每年都可以把負荷不平衡導致的那部分多余的熱量中的大部分帶走，使得大地溫度的變化減緩，那么負荷不平衡的影響將大大減弱。 垂直 埋管的深度通常達30 ～ 18 0m ，實際上在其穿透的地層中或多或少地都存在著地下水的滲流。尤其是在沿海地區(qū)或地下水豐富的地區(qū)，甚至有地下水的流動。地下水的滲流或流動有利于 土壤熱交換器 的傳熱，有利于減弱或消除由于 土壤熱交 換器 吸放熱不平衡而引起的熱量累積效應，因此能夠減少 土壤熱交換器 的設計容量。研究結果表明：在地下滲流速度為 10 6m/s(30m/ y) 左右時，熱交換能力比無滲流時增大了約 30 ％。顯然滲流速度越大，溫度場則越快地達到穩(wěn)定，而且穩(wěn)定時的 土壤熱交換器進出口流體溫差較大 。 2 、 回填材料對土壤熱交換器傳熱的影響 （ 1 ） 鉆井 回填材料特性 回填是 土壤熱交換器 施工過程中的重要環(huán)節(jié)，即在鉆 井 完畢、下完 U 型 管后，向 鉆井 中注入回填材料。它介于熱交換器換熱器的埋管與 鉆井 壁之間，用來增強埋管和周圍巖土的換熱；同時防止地面水通過 鉆井 向地下滲透，以保護地下水不受地表污染物的污染，并防止各個蓄水層之間的交叉污染。 回填材料的主要特性包括回填材料的熱導率、是否各向同性及其穩(wěn)定性、工作性、抗?jié)B性、強度、熱壓變形、與埋管以及 鉆井 壁的結合程度、經濟性、耐久性以及對環(huán)境是否無污染等。其中，回填材料熱導率又受回填材料的組成、溫度、濕度、壓力、密度等因素的影響。對于給定類型的回填材料，一般隨溫度、壓力的變化不太大，而濕度、密度的變化通常會引起回填材料熱導率發(fā)生較大變化。 回填材料是將地層中的熱量傳遞給 U 型管以及管中的循環(huán) 流體 ，或者將 U型管和循環(huán) 流 體 中的熱量傳遞給地層的重要環(huán)節(jié)。它是一個熱傳遞介質，首先要求其具有良好的傳熱性能；其次，回填材料還要具有良好的工作性，以及一定的強度、抗?jié)B性和膨脹性等。 在描述回填材料的參數中，導熱系數bk是 最為 關鍵的，也是決定系統(tǒng)的效率高低的主要因素。已有的研究表明，回填材料的導熱系數bk與 t ( 溫度 ) 、 ? ( 密度 ) 、 e ( 孔隙比 ) 、rS ( 飽和度 )和 ? ( 含水率 ) 有函數關系，可表示為如下關系式： ? ?rb Setfk , ??? ( 9 ) 常溫下，回填材料的組成確定以后，飽和度rS和空隙比 e 也就隨之確定了，而在常溫下，溫度 t 對導熱系數的 影響并不大，對回填料的導熱系數起決定作用的是回填材料的密度 ? 和含水率 ? 兩個變量，則 ( 8 ) 式可簡化為： ? ??? ,fk b ? ( 10 ) 若將回填材料作為能量傳遞介質來考慮，則其屬于一個能量系統(tǒng)，它把自己的能量傳給 U型管以及熱循環(huán)介質。在這個能量的轉化過程中，水分起到了能量的暫時存儲與轉換作用。所以回填材料中含水率的大小對換熱器換熱效果有較大的影響。 地源 熱泵 系統(tǒng)中，理論計算及實驗研究表明，回填材料的導熱系數bk是決定 土壤熱交換器 換熱效果和 地源 熱泵系統(tǒng)效率的主要因素。 （ 2 ）回填材料特性對傳熱的影響 在 U 型管與鉆 井 壁之間充填的回填材料是 土壤 與 U 型管之間交換熱量的橋梁。有效的回填材料可以防止土壤凍結、收縮、板結等因素對埋管換熱器傳熱效果造成影響。具有良好物理特性的回填土可以強化 U 型管與地層之間的導熱過程，提高地下埋管換熱器的傳熱能力，進而減小地下?lián)Q熱器的設計尺寸和降低初投資成本。 回填材料的選擇以及正確的回填施工對于保證 熱交換器換熱器的性能有重要的意義。通?？梢圆捎门c地層相近的材料作為回填材料，一般選擇膨潤土、水泥以及砂作為基本材料，以適當的混合比例，達到較好的性能[ 29 ]。為防止 鉆 井回填后在井壁處形成過大的接觸熱阻，在回填材料中添加膨潤土。膨潤土能吸收 8 ～ 15 倍于本體積的水量，吸水后體積膨脹，增大為原體積的幾倍到十幾倍，膨潤土還有蓄熱性能[ 30 ]。 回填材料中加人膨潤土后，能夠很好地與周圍土壤接觸，減少了增加接觸熱阻的可能性，并且膨潤土能保持大量的水分，增加傳質換熱，能夠強化換熱效果。國外有些學者對于可流動回填料做了研究 ，結果表明，回填料選用可流動介質可以增強換熱效果[ 3 1]。由于膨潤土具有很強的吸水膨脹性，若回填材料中的含水量超過了基料水解所需的含水量，回填材料將會失水而產生一些空隙，降低導熱系數，所以不適合于單獨用作回填材料。回填材料中使用大顆粒的骨料，如硅砂等，是提高其導熱系數的一個有效的辦法。一方面加入骨料可以降低回填材料失水后的收縮、開裂，但另一方面也必須考慮加人骨料后回填材料的可泵性。在回填料中加入適當比例的砂可以使回填材料的導熱系數呈現線性增長，理論上認為通過在回填料中加入砂可以達到所要求的回填料導熱系數，但 加砂量的多少同樣受到可泵性的影響。 目前應用的回填材料還有沙土混合物、水泥灰漿、火山灰粘土、 鉆井 巖漿、鐵屑砂混合物等。Allan 與 Kavanaug h 在 1 999 年分別采用細硅石、礬土、鐵屑、金剛砂與斑脫土混合作為回填料進行研究，結果表明導熱系數可提高至 ～ 9 W / ( m ℃ ) ，與采用砂漿混凝土作回填料相比，鉆井 深度可減少 22 % ～ 7 %[ 32 、 33 ]。另外，使用水泥砂漿作為回填材料，能夠防止井洞塌陷，并且不會造成不同地層地下水相互串流，不會影響地下水水脈，但有可能會造成水泥凝固后與周邊土壤接觸不好，在水泥砂 漿凝結后與周圍土壤間會有空隙存在，不僅增大了接觸熱阻，并且空隙內可能會有空氣存在，成為隔熱層，惡化換熱效果。 超強吸水樹脂是一種吸水能力特別強的高分子材料，吸水量為自身質量的幾十至幾百倍，甚至上千倍。如 Sumika 凝膠 S50 的吸水倍率為 50 ～ 700 g/g ，低溫 (90 ℃ 以下 ) 時吸水倍率基本不隨溫度變化，保水能力也非常高，吸水后無論加多大壓力也不會脫水，但會隨時間慢慢釋放水分，且具有良好的蓄熱、蓄冷能力。 按照一定比例在原土中混入超強吸水樹脂作為回填材料，在注入少量水的情況下，能夠很好地改善巖土體的非飽和性，增 大巖土體的導熱系數，提高巖土體的熱恢復性能，明顯增大單位管長的熱量，適合于干旱、巖土體非飽和以及地下水位比較低的地區(qū)，特別有利于螺旋盤管的應用，可以極大地降低地源熱泵系統(tǒng)初投資，值得推廣和應用[ 34 ]。 目前國內對回填材料的研究還不夠完善，雖然《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》中也明確指出[ 1 0 ]：灌漿回填材料宜采用膨潤土和細砂 ( 或水泥 ) 的混合漿或專用回填材料；當 熱交換器 換熱器設在密實或堅硬的巖土體中時，宜采用水泥基料灌漿回填；回填材料及其配比應符合設計要求。但這方面國內的文獻還很少，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》 也沒有提供推薦的回填材料配方。 3 、 換熱負荷對土壤熱交換器傳熱的影響 （ 1 ）土壤熱交換器換熱負荷特性 地源 熱泵系統(tǒng)設計與運行是為了調節(jié)室內溫濕度服務的，因此熱泵機組不可避免地受到室內負荷情形的影響。而 地源 熱泵系統(tǒng)是利用置入土壤中的土壤熱交換器向大地排熱或從大地取熱來達到對空調房間進行降溫或加熱。如果室內負荷發(fā)生變化，機組運行相應與之變化，以適應負荷變化，熱泵的低位冷源或熱源的使用狀態(tài)也隨之變化，即土壤熱交換器的換熱狀態(tài)也是隨之動態(tài)變化，這種動態(tài)變化表明土壤熱交換器的換熱性能與其承擔的換熱負荷的有極 大的關聯(lián)?？紤]到作為 地源 熱泵機組換熱的中間媒介，土壤熱交換器的換熱性能極大地影響整個空調系統(tǒng)的運行性能，這種關聯(lián)不僅僅表現在土壤熱交換器的設計，更重要的是土壤熱交換器是否能長期正常運行，保障在不同的空調負荷特征下 地源 熱泵系統(tǒng)能夠高效、節(jié)能運行。因此，地埋管冷熱負荷的特征分析是 地源 熱泵系統(tǒng)土壤熱交換器設計以及性能分析的前提，事關實際工程中 地源 熱泵方案的可行性，從這點來說，土壤熱交換器換熱負荷特征的分析比傳統(tǒng)空調中更為重要。 由于土壤熱交換器換熱負荷直接取決于 地源 熱泵系統(tǒng)空調負荷的特性，其換熱負荷特征表現為多種 多樣。根據 地源 熱泵空調系統(tǒng)實際運行工況，針對其可行性和運行性能的變化，主要采用以下三個參數來描述土壤熱交換器換熱負荷特征：換熱負荷的強度特性、換熱負荷的時間性以及換熱負荷的累積特性。換熱負荷的強度特性重點在