寒冷地區地埋管周圍土壤凍結傳熱特性試驗研究

（東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620）

0 引言

地埋管換熱器是地源熱泵系統的核心部分，其換熱效率直接影響到地源熱泵系統的穩定性。寒冷地區土壤初始溫度低，熱負荷較大，冬季地源熱泵系統連續運行時，流入地埋管換熱器內的液體溫度一般在0 ℃以下，埋管周圍含濕土壤的溫度會因地埋管在土壤中的連續吸熱而持續降低，最終導致凍結，土壤凍結對地埋管換熱器的換熱性能影響較大，因此在實際工況中應考慮土壤凍結對地埋管換熱器的影響［1-2］。

地埋管與周圍土壤的傳熱是復雜的多孔介質非穩態傳熱過程。目前已有的傳熱模型主要有基于線熱源和柱熱源理論的解析解模型［3-4］以及基于有限差分法和有限元法的數值解模型［5］，基于以上模型，Ingersoll等諸多學者［6-12］研究了地埋管換熱器的傳熱過程。但上述模型均未考慮土壤凍結對地埋管性能的影響。土壤凍結傳熱過程屬于移動邊界的相變傳熱問題，又稱“斯蒂芬問題”。目前主要通過焓法和等效熱容法來解決此類問題。段東明等［13-14］采用焓法進行過研究計算。楊衛波等［15］建立了考慮土壤凍結的地埋管傳熱模型，采用顯熱容法處理相變問題。于明志等［16］建立土壤凍結傳熱的無量綱方程，并以解析解的形式給出了土壤溫度分布函數。在關于土壤類型對地埋管凍結傳熱性能影響方面，Yang等［17-20］進行了相關理論及試驗研究。

上述文獻研究大多基于傳熱模型的模擬計算，缺少試驗驗證，或通過試驗定性分析相關因素的影響，未明確給出不同工況下的發展規律。……