間歇儲熱模式下低含水率土壤的增濕傳熱實驗研究

孟欣 何偉 庾漢成 胡中停

1 合肥工業大學土木與水利工程學院

2 青海建筑職業技術學院

0 引言

土壤源熱泵節能、環保，發展前景廣闊，中國在土壤源熱泵技術方面經歷了快速的發展，已成為全球最大的熱泵用能國家[1]。地下埋管換熱器作為整個熱泵系統進行熱量交換的中心，其換熱效果與土壤的傳熱能力直接相關，決定了熱泵系統的效率。土壤源熱泵系統在長期不同模式的運行過程中，由于土壤溫度的擾動帶來土壤溫度場的變化，導致其換熱性能下降。

為提高土壤源熱泵換熱效率，保持地源熱泵機組長期穩定運行，需維持土壤的換熱能力，大量研究[2-4]表明間歇機制對于恢復地下土壤溫度，保持地埋管高效換熱是一種行之有效的途徑。此外，土壤作為一種復雜的多孔介質，土壤孔隙間含水量對土壤熱擴散率的影響至關重要。土壤熱擴散率與土壤含水率的關系比較復雜，因為土壤水分含量的變化同時對土壤熱導率和土壤熱容量產生影響，因此土壤熱擴散率與土壤濕度并非簡單的線性關系[5]。研究發現[6]，在土壤含水率較小的情況下，隨著土壤濕度的增大土壤熱擴散率增加，但當土壤含水率超過一定數值以后，因熱導率的增加不顯著，而熱容量仍隨濕度線性增加，所以土壤熱擴散率反而下降了，因此土壤濕度對傳熱效果影響重大。當土壤源熱泵在夏季制冷運行工況下，循環介質通過埋管向土壤散熱，在垂直于埋管方向水分沿溫度梯度由地埋管向外遷移，使得熱源處土壤含水率下降，換熱器與土壤間換熱效果降低，同時，熱量在埋管附近累積。為加速熱量擴散，恢復土壤傳熱能力，應考慮調節土壤濕度。Arnold B.Platts[7]就設計了一種圍繞在水平埋管周圍的膜結構，將飽和沙土填充在膜內，膜結構能夠阻礙水分的遷移。

本文針對低含水率土壤，設計并搭建一維土壤實驗臺，在間歇加熱模式下，通過調節在加熱階段初始時刻和恢復階段初始時刻熱源附近土壤濕度，最終獲得不同時刻增濕量下土壤的傳熱性能和溫度恢復相應特性。

1 土壤溫度恢復特性

系統停機后土壤溫度的自然恢復過程稱為土壤溫度恢復過程。土壤的溫度恢復特性受眾多的因素影響，包括土壤熱物性參數（比熱容、密度、導熱系數、熱擴散系數）、熱泵運行方式（連續運行、間歇運行）及換熱量等。

土壤溫度恢復程度可用土壤溫度恢復率[8]表示：

式中：t 為計算時刻土壤恢復到的溫度，℃；ts為系統停止運行時土壤溫度，℃；t0為土壤初始溫度，℃。

強化土壤傳熱要考慮到土壤溫度場所受的環境溫度變化影響，運行時間影響，土壤深度影響以及土壤物性影響等，本文所設計微型實驗臺在一維層面進行，忽略其他因素，只考慮增加熱源處濕度對土壤傳熱的影響。

2 實驗裝置及測試方案

2.1 實驗裝置

圖1 為一維土壤熱濕傳遞實驗示意圖，系統由熱源（恒溫水浴箱連接鋼罐循環熱水），滲水增濕裝置，土柱體，及數據采集裝置等構成，各裝置詳細參數見表1。該實驗裝置被設計用來模擬垂直埋管傳熱，土壤中的水分水平遷移，熱量傳遞及滲水增濕過程，土柱固定在水平面上，忽略重力的影響。

圖1 一維土壤熱濕傳遞實驗裝置示意圖

表1 實驗所需裝置及規格

可控微孔滲水加濕裝置設置在熱源壁面處，該裝置由200 ml 容量帶刻度針筒及直徑5 mm 的塑料管組成，在塑料管上均勻刺穿微孔，將塑料管緊貼加熱鋼罐埋入土壤中固定，通過人為加壓控制針管向土壤中以一定速率注入相應水量，水分通過微孔不斷滲出，對周圍土壤滲透增濕。滲水增濕過程分別選擇在加熱初始時刻和恢復初始時刻進行，即在對土壤加熱前或在關閉循環水箱系統開始恢復時在熱源壁面處滲水管注入相應水量，每種實驗工況僅在其中一個時刻增濕。

通過比較幾種土壤的熱濕特性，沙子的導熱率對含水率的改變更為敏感[9]，為使實驗效果更為顯著，實驗土壤采用黃沙填充土柱。盛土容器采用長度為1000 mm，內徑為150 mm 的PVC 管。調節恒溫水浴裝置中水溫（精度為±0.1 ℃）并通過水管連接以恒定速率流入向不銹鋼桶中并循環熱水加熱，利用恒溫鋼桶作為土壤的熱源，通過鋼桶壁面傳熱，管體和水管均包裹保溫材料以減小環境溫度對土體溫度的干擾。由于在靠近熱源處土壤區域溫度濕度變化較為顯著，選擇距 離 熱 源 壁 面30 mm，80 mm，130 mm，230 mm，380 mm，580 mm 不均勻放置六個溫濕度傳感器記錄土壤溫度濕度數據，此外距壁面每隔100 mm 均勻放置熱電偶接入數據采集儀，每間隔30 s 需要采集一次數據。

本實驗采取1:1 啟停比的運行模式，以方便對比加熱與恢復階段運行數據，即運行12 小時后關閉循環水箱使土壤恢復12 小時，記錄各測點溫濕度數據。

2.2 測試方案

實驗前準備：將實驗用黃沙置于恒溫烘干箱，以100 ℃高溫烘干12 小時以去除其水分，在室溫靜置待用，需配置特定含水率黃沙時，均勻噴灑純水并攪拌靜置。每次實驗對黃沙重復烘干。

預實驗：

①加熱烘干后，配置土壤初始含水率10%，設定熱源溫度45 ℃，室溫23 ℃，對土壤進行間歇加熱，連續進行兩組實驗。圖2 為初始含水率10%土壤溫度變化曲線，測試發現在運行24 h 后（24～48 h）各測點溫度峰值相較于前24 h 分別下降0.55 ℃、0.26 ℃、0.39 ℃、0.22 ℃、0.35 ℃、0.09 ℃。

②加熱烘干后，配置土壤初始含水率5%，設定熱源溫度45 ℃，室溫23 ℃，對土壤進行間歇加熱，在24 h 時刻對土壤注入100 ml 水。圖3 為實測土壤溫度變化曲線，對比前24 小時5%含水率土壤與10%含水率土壤溫度曲線，發現前者傳熱效果差。后24 h 各測點土壤溫度在熱源處增濕后迅速升高，且相應測點溫度峰值相比于未加水前分別升高2.71 ℃，4.61 ℃，3.30 ℃，1.60 ℃，0.7 ℃，0.41 ℃。

圖2 初始體積含水率（VWC）10%土壤溫度曲線

圖3 初始體積含水率5%土壤溫度曲線

預實驗證明熱源處土壤增濕對土壤傳熱有改善作用，為具體研究加熱階段和恢復階段不同增濕量對土壤傳熱的影響，設計實驗分為Ⅰ正常運行、Ⅱ加熱階段增濕、Ⅲ恢復階段增濕三類共七組，控制滲水增濕量為單一變量。

土壤初始含水率越低，增濕對傳熱效果增強效果越明顯，經烘干處理后的沙子自然含水率為4%，選擇其作為初始含水率。恒溫水箱溫度45 ℃，室內環境溫度16～18 ℃，具體實驗工況見表2。

表2 實驗工況

3 實驗結果及分析

3.1 實驗結果

實驗發現加熱初始階段增濕50 ml、100 ml、150 ml 土壤溫度變化及含水率變化規律相似，下文僅僅展現在加熱初始時刻增濕100 ml 的工況下土壤溫度變化及含水率變化測試結果。同樣，實驗測試發現對于恢復初始時刻增濕50 ml、100 ml、150 ml 土壤溫度變化曲線和含水率變化規律相似，下文僅給出恢復初始時刻增濕150 ml 的工況下土壤溫度變化及含水率變化測試結果。

圖4 為加熱初始時刻增濕100 ml 土壤溫度變化曲線。開始加熱后0 cm（熱源）處溫度迅速上升并到達最高溫度，12 h 后關閉熱源，溫度迅速降低，整個過程無溫升滯后，而距離熱源10 cm，20 cm 和30 cm 處溫度峰值較0 cm 處依次降低，隨著與熱源距離的增大，各測點溫升速率降低，達到峰值時間也相應延遲，從圖4 中可以看出距離熱源30 cm 處土壤溫度測試過程溫度變化幅度最高僅為1.5 ℃，而距離熱源更遠的測點溫度幾乎不變。

圖4 加熱初始時刻增濕100 ml 土壤溫度變化曲線

圖5 加熱初始時刻增濕100 ml 土壤體積含水率（VWC）變化曲線

圖5 為加熱階段初始時刻增濕100 ml 土壤體積含水率（VWC）變化曲線。距熱源3 cm 土壤初始含水率在注水后迅速達到24.1%，加熱過程中含水率在溫差和濕度差作用下向遠端遷移不斷下降，恢復階段（12 h 后）由于溫差驅動力減小，下降速率變緩。然而，8 cm 處含水率在加熱階段因為受熱源處水分擴散影響不斷上升，恢復階段在濕度差作用下稍有下降，13 cm 處含水率略有上升并在恢復階段略有下降，但變化不明顯，水分幾乎不能擴散至23 cm 之后的區域，23 cm 后測點的含濕量幾乎不受增濕影響。

圖6 為恢復階段初始時刻增濕150 ml 土壤溫度變化曲線。在12 h 時刻，熱源壁面處滲水管注入室溫的純水，熱電偶接觸到未被加熱的純水，0 cm 處（熱源）溫度出現陡降，但對總體溫度下降曲線趨勢的影響較小。距離熱源10 cm 處溫度在接近11 h 時達到溫度平衡峰值，但在注水0.8 h 后溫度開始上升，出現第二峰值。20 cm 處土壤溫度也出現小幅溫升和第二峰值。30 cm 后土壤溫度變化忽略不計。

圖6 恢復初始時刻增濕150 ml 土壤溫度變化曲線

圖7 恢復階段初始增濕150 ml 土壤體積含水率（VWC）變化曲線

圖7 為恢復階段初始時刻增濕150 ml 土壤體積含水率（VWC）變化曲線，從圖中可以得出，受熱源加熱的影響，在未加濕前土壤各測點含水率隨傳熱擴散而略有上升，并在溫度恢復階段前達到穩定。在恢復階段初始時刻注水后（12 h 后），距離熱源3 cm 含水率迅速達到最高值，然后水分在溫差和濕度差作用下向外遷移，含水率下降在14.1 h 達到穩定。8 cm 處含水率在注水后開始上升并在14.3 h 達到峰值，隨后下降，呈現先上升后下降趨勢。13 cm 處含水率略有上升并很快達到穩定狀態。距離超過23 cm 后的測點溫度幾乎不受水分變化影響。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 土壤水分遷移規律

選取距熱源3 cm，8 cm，13 cm 測點進行進一步討論分析，圖8 為間歇儲熱模式下各測點在加熱階段初始時刻增濕、恢復階段初始時刻增濕及未增濕工況下土壤體積含水率隨時間變化曲線。圖8（a）得出，對于在加熱階段初始增濕工況，距熱源3 cm 處土壤初始含水率隨增濕量增加而增加，加熱后水分向外遷移，含水率不斷下降，恢復階段含水率下降變緩。整個過程各工況土壤含水率下降10.1%，11.6%，7.5%（對應于增濕50 ml，100 ml，150 ml，下同）。對于在恢復階段初始增濕工況，在加熱階段結束后，3 cm 處土壤濕度增加0.8%，恢復階段初始含水率隨增濕量增加而增加。由于無熱源加熱，水分遷移不明顯，達到穩定后各工況含水率僅分別下降3.3%，4.4%，2.5%。圖8（b）為距熱源8 cm 處土壤含水率變化曲線。加熱初始增濕時，遠端土壤得濕，增濕量越大，含水率增長速度越快，增幅越大，恢復階段含水率略有下降，分別下降0.67%，0.55%，0.28%，增濕150 ml 時下降幅度最小?；謴碗A段初始時刻增濕時，8 cm 處土壤恢復階段含水率略有升高，各增濕量工況差異很小，分別升高0.25%，0.26%，0.47%。說明溫度是驅動水分遷移的主要動力，土壤含水率較高而溫差驅動勢較小時，土壤能夠更好的將水分保持在孔隙中。圖8（c）為13 cm 處土壤溫度變化曲線，顯示出與圖8（b）相似規律，變化幅度更小。

圖8 土壤各測點不同工況下體積含水率（VWC）變化曲線

3.2.2 加熱階段初始時刻增濕土壤溫度變化規律

圖9 為距熱源3 cm，8 cm，13 cm，23 cm 處土壤在加熱階段初始不同增濕量下溫度變化和溫度變化率曲線。以未增濕工況（0 ml）為基準，在增濕后，加熱階段各測點溫度峰值均升高，溫度增幅隨增濕量的增加而增加，溫度恢復階段溫度恢復速率隨增濕量增加而增大。

圖9 加熱階段初始時刻增濕各測點溫度變化及溫度變化率曲線

由圖9（a），加熱階段，由于靠近熱源，加熱后3 cm處溫度迅速上升，溫升速率及溫度峰值隨增濕量的增加而升高。增濕50 ml、100 ml、150 ml 工況下，加熱12 h 后土壤溫度分別比未增濕工況高4.30 ℃、6.10 ℃、6.28 ℃。增濕50 ml 時，提升效果最為顯著。恢復階段，增濕工況下恢復速率遠大于未增濕工況，且隨增濕量增加而增大，但差距不明顯?；謴徒K了，增濕工況分別比未增濕工況溫度低4.09 ℃、0.53 ℃、2.52 ℃。3 cm 后的測點由于與熱源距離增加，溫度響應時間隨距離增加而增加，隨著增濕量增加，各測點響應時間縮短。見表3。

表3 土壤溫升響應時間與增濕量關系

由圖9（b），8 cm 處測點增濕對土壤含水率依然有較大影響，加熱12 h 后土壤溫度分別比未增濕工況高溫度高5.92 ℃，8.00 ℃，8.66 ℃?；謴碗A段溫度恢復速率均大于未增濕工況，隨增濕量增加無顯著差異，隨時間逐漸變緩。未增濕工況溫度恢復率50.26%，各增濕工況下溫度恢復率均增強，分別達到69.11%，66.70%，63.51%。但由于熱源向遠端傳熱顯著增強，此處溫度恢復12 h 后溫度高于未增濕工況。

對于測點13 cm（圖9（c））和23 cm（圖9（d））處，總體趨勢和8 cm 處測點變化規律相似。加熱階段，溫度峰值和溫度變化率峰值均呈現梯度變化且梯度更為明顯，峰值出現時間隨著與熱源距離的增加往后推移，溫度變化率的峰值隨著與熱源距離的增加更加趨于平緩，值得注意的是未增濕工況下23 cm 測點溫度持續上升，沒有出現峰值，推測峰值在24 h 以后?；謴碗A段，溫度恢復速率平穩，僅增濕150ml 工況下13 cm處出現明顯峰值。8 cm 和13 cm 處溫度變化呈梯度是由于測點處含水率隨增濕量增加而增加，傳熱能力呈梯度變化，含水率越高溫升更為顯著，在土壤溫度梯度的疊加作用下，遠端測點呈現更高的溫度梯度。對于23 cm 處的測點，由于該處土壤含水率幾乎不受增濕影響，因此其溫度變化主要受前端溫度傳遞影響，和13 cm 處有十分相似的溫度梯度。

3.2.3 恢復階段初始時刻增濕土壤溫度變化規律

圖10 為距熱源3 cm，8 cm，13 cm，23 cm 處土壤在恢復初始時刻增濕工況下土壤溫度變化和溫度變化率曲線。前12 h 均為相同未增濕工況曲線，選取12 h 后曲線進行分析。

由圖10（a），距熱源3 cm 處溫度恢復速率隨增濕量增加略有增大，但無明顯差別，最終溫度分別比未增濕最終溫度降低2.75 ℃，3.11 ℃，3.26 ℃。土壤經過12 h 溫度恢復后，未增濕工況溫度恢復率為62.7%，增濕50 ml，100 ml，150 ml 后溫度恢復率顯著提升，分別達到78.9%，81.9%，81.1%。3 cm 后的測點，由于受熱端傳熱影響和土壤傳熱滯后，未增濕工況下存在停止加熱后溫升延續和溫度恢復滯后的現象，在增濕后熱源處熱擴散顯著增強，后續測點溫升更加明顯。

由圖10（b），恢復初始距熱源8 cm 處土壤溫度出現明顯上升，溫度峰值、溫升率峰值隨增濕量的增加呈梯度增加，未增濕工況無溫度峰值和溫度變化率峰值。溫度開始下降后，溫度下降速率均大于未增濕工況，在增濕150 ml 時溫度變化率更為顯著。恢復終了，分別比未增濕工況低1.31 ℃，1.01 ℃，1.57 ℃。未增濕工況溫度恢復率為50.6%，增濕50 ml，100 ml，150 ml后溫度恢復率顯著提升，分別達到63.9%，61.4%，67.4%。

由圖10（c），由于未增濕工況下也存在土壤中水分遷移，恢復初期也出現溫度峰值。增濕工況下，隨增濕量增加，溫度峰值越高，溫度恢復開始時間越滯后。溫度恢復時各增濕工況溫度下降速率相近，均比未增濕工況高，恢復終了溫度分別比未增濕工況低0.84 ℃，0.42 ℃，0.31 ℃。未增濕工況溫度恢復率為26.39%，增濕50 ml，100 ml，150 ml 后溫度恢復率有所提升，分別達到41.93%，35.99%，38.86%。處溫度保持微小上升，推測未增濕工況23 cm 處溫度開始恢復的時間會更加滯后，于24 h 以后。

4 結論

圖10 恢復階段初始時刻增濕各測點溫度變化及溫度變化率曲線

由圖10（d），23 cm 測點由于距離熱端的距離遠，受水分擴散影響小，含水率無明顯變化，不同增濕量工況結果無明顯差異，溫度變化主要受熱端傳熱影響，溫度峰值更加滯后。而未增濕工況下，23 cm 前的測點在實驗后期（20 h 以后）溫度下降速率較小，23 cm

1）在運行12 h 后恢復12 h 的間歇加熱模式下，實驗測試發現熱源對含水率為4%的土壤溫度的擾動范圍約在距離熱源30 cm 的范圍內，在加熱和恢復初始時刻增濕后水分擴散范圍均在23 cm 測點以內，23 cm測點后土壤含水率幾乎不受增濕影響。

2）對于加熱初始時刻增濕工況，在增濕50 ml、100 ml、150 ml 時土壤溫度平均響應時間分別縮短28.7%，37.3%和43.2%，增濕量越大土壤溫升速率越大、升幅越顯著，土壤整體熱擴散明顯增強。在溫度恢復階段，土壤溫度恢復速率增大，熱源處土壤恢復終溫低于未增濕工況，熱源與土壤間可利用傳熱溫差增大。

3）對于恢復初始時刻增濕工況，在增濕50 ml、100 ml、150 ml 時土壤平均溫度恢復率較未增濕工況增加13%～16%，隨增濕量增加無顯著差異，增濕后熱源處土壤溫度持續下降，恢復終溫分別比未增濕時低2.75 ℃，3.11 ℃，3.26 ℃。熱源后測點出現第二峰值，峰值隨增濕量增加而升高，且恢復終溫均比未增濕工況低。實驗結果表明，由于停止加熱后溫差驅動勢較小，水分擴散程度較小，對于初始含水率很低的土壤，少量增濕即可以達到加速土壤溫度恢復的目的。

4）加熱初始時刻與恢復初始時刻增濕均能增強土壤溫度恢復過程，降低熱源處土壤溫度，增濕后熱源處熱量擴散更強、范圍更廣，可緩解熱源處熱量堆積、溫度過高。此外，加熱初始時刻增濕還可以增強加熱階段熱量擴散，且恢復階段能夠使土壤整體溫度降低至更低水平，效果更好。

5）本實驗僅在一維土柱中進行，且運行周期短，為繼續研究熱源處增濕對傳熱改善的規律，后續實驗應在更大尺度，更長運行周期條件下進行。