定形相變材料回填下的地埋管換熱器實驗

周 琢，王 勇，彭遠玲，劉慶功，彭清元,，曹 聰，周庭正

（1. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045； 2. 重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401121； 3. 中國三峽建工（集團）有限公司 重慶南岸區廣陽島公司，重慶 400060）

在當今能源緊缺的背景下，地熱能作為可再生能源在多領域得到廣泛應用，其中地源熱泵系統由于節能高效的優勢得以大面積推廣。地埋管換熱器作為地源熱泵的重要熱交換裝置，換熱效率直接關系到地源熱泵能否高效運行。但地埋管換熱器會隨熱泵機組持續運行導致周圍巖土初始溫度上升或下降，顯著降低地源熱泵的運行效率。原位固有地質條件難以改變，但處于地埋管換熱器和周圍土壤中間的回填材料性能可以控制?；靥畈牧献鳛榈芈窆軆攘黧w和周圍土壤的換熱媒介，其熱物參數對地源熱泵的效率有顯著的影響[1]。楊衛波等[2]提出采用相變材料(phase change material, PCM)作為回填物的一部分。利用PCM 相變過程中吸收或者釋放潛熱而自身溫度變化較小的特性，來緩解短時間內地埋管換熱器對周圍環境溫度的影響，保證地源熱泵機組持續高效運行。吳越超[3]通過試驗分析，發現了相變材料回填使地源熱泵單井供冷(熱)量提高了62.4%，提出了相變材料作為地埋管回填材料的實際可行性。Yang 等[4]通過建立垂直U 型埋管試驗臺，分別利用癸酸-月桂酸和油酸作為夏季和冬季的回填材料，發現冬夏兩季運行工況下整體熱作用半徑減小15%。王暢等[5]利用數值模擬的方法，研究了夏季間歇運行工況下相變材料相變溫度對回填地埋管換熱器傳熱性能的影響，結果表明夏季長期間歇運行情況下，較高相變溫度PCM 回填對換熱器換熱量的提升效果優于低相變溫度。李啟宇[6]通過數值模擬的方法對比了相變材料回填和普通回填材料的傳熱特性，結果發現，相變材料低熱導率會導致單位井深換熱量減小，但可以減少一定土地使用面積。

現有研究的地埋管回填材料主要為純相變材料。一方面，PCM 導熱系數遠低于普通回填材料，不利于地埋管換熱；另一方面，PCM 相變熔化容易造成泄漏，污染環境?；谝陨蠁栴}，Li 等[7]制備了石墨吸附下的定形相變材料(shape-stabilize phase change material, SSPCM)，研究了這種材料和碎石混凝土2 種材料回填下的U 形管換熱器的傳熱性能，結果發現，SSPCM 回填換熱量是碎石混凝土的1.223 倍，熱影響半徑是碎石混凝土的0.9 倍。Zhao 等[8]制備了石墨吸附下的SSPCM，利用數值模擬方法，研究了SSPCM 和普通膨潤土體積混合比例以及間歇運行下地埋管換熱器的換熱效果，研究發現，為保證SSPCM 能夠良好恢復，應利用較高的啟停比用于較低的SSPCM 體積比例，將較低的啟停比用于較高的SSPCM 體積比例。Bottarelli 等[9]用等效熱容法研究了水平埋管回填材料中添加PCM 的傳熱特性，結果表明，PCM 對于緩和換熱器熱影響半徑效果明顯。

上述方法多集中在研究純PCM 作為回填材料或者以數值模擬的方法研究SSPCM 回填下的換熱效果。針對SSPCM 增強換熱和緩解溫度波動兩方面的實際效果，尚需要開展大量工作。文中采用搭建實驗臺實驗的方法，研究SSPCM 混合回填情況下的換熱特性。

1 實驗系統介紹

1.1 實驗臺介紹

實驗系統裝置圖和系統原理，如圖1 所示，實驗系統由3 部分構成：地下埋管實驗沙箱，發熱管調壓模塊，數據采集模塊。其中，實驗沙箱用20 mm 厚度的木板制成，整體實驗木箱縱向截面400 mm×400 mm，長度為600 mm，內部回填區域截面尺寸為120 mm×120 mm。沿實驗木箱橫向放置一直徑為10 mm，長度為600 mm的圓柱形石英電加熱管，代替地埋管作為換熱熱源。

圖1 實驗系統圖和系統原理圖Fig. 1 Experimental system diagram and system principle diagram

為避免環境溫度對實驗造成較大影響，木箱6 個面均用70 mm 厚橡塑隔熱材料進行保溫從而模擬恒定原邊界。在實驗沙箱300 mm 中間截面處，沿發熱棒徑向共布置6 個T 型銅-康銅熱電偶(測量精度±0.5 ℃)測點，實際分布和示意如圖2 所示，其中，1#～3#布置在內部回填材料區域，4#～6#布置在回填區域外側。實驗系統通過調節調壓模塊電壓大小來調整電加熱管功率，可模擬不同負荷情況下的地埋管換熱情況。實驗過程中用安捷倫34901A 巡檢儀配合一體式計算機作為數據采集模塊進行溫度數據采集工作。

圖2 測點實際分布圖及示意圖Fig. 2 Actual distribution and schematic diagram of thermocouple

1.2 材料選取與制備

1.2.1 材料選取

相變材料由于其結構和組成不同，會表現出不同的物化性質，在不同場合需要針對使用場景選取不同的相變材料。在以地埋管換熱器換熱效果作為優先考慮目標時，相變材料導熱系數，相變潛熱和比熱容大小是影響最大的3 個指標。理想情況下，選取的相變材料應有較合適的相變溫度，較大的比熱容和相變潛熱。但實際情況下，很難同時滿足這些條件，只能考慮在合適相變溫度下選取比熱容和潛熱盡可能大的材料。

重慶地區地下100 m 年平均溫度為19.6 ℃[10]，在此條件下，重慶夏季運行時可作為回填材料的PCM 相變溫度在20～30 ℃的范圍內?；诖藯l件，實驗選取夏季相變材料為文獻[11]所使用到的石蠟，該種材料相變溫度為22 ℃，符合重慶地區實際運行的溫度范圍，同時，該材料相變潛熱和比熱容較大，分別為200 kJ/kg 和2 400 J/kg。

1.2.2 材料制備過程

由于石蠟為固液相變過程，融化后會滲入周圍巖土層，污染周圍土壤環境，可利用膨脹石墨多孔隙結構特性，吸附石蠟定形，避免環境污染。同時，膨脹石墨吸附也可有效提升回填材料導熱系數，提高地埋管換熱效果。實驗所用石墨膨脹后80 目，膨脹率200～300，純度99%，制備定形相變材料過程中所用的儀器設備如表1 所示。

表1 制備SSPCM 所用儀器設備Table 1 Equipment used for preparing SSPCM

實驗采用的SSPCM 制備方法為真空浸漬法，制備步驟參考文獻[12]進行，具體操作為：1)稱取一定質量的膨脹石墨(EG)放入1 000 mL/2 000 mL 燒杯中，燒杯作出標記并放置進真空干燥箱中進行干燥處理，設定真空干燥箱為130 ℃，持續12 h，使膨脹石墨完全干燥膨脹成可吸附狀態；2)將一定質量的石蠟放入2 000 mL燒杯中，再將燒杯放置入恒溫水箱融化，水箱設定溫度為50 ℃，待石蠟完全融化后，按照石蠟和膨脹石墨為100:10 的質量比例將石蠟加入裝有膨脹石墨的燒杯中，并用玻璃棒進行充分攪拌，使得石蠟溶液和膨脹石墨能夠完全混合；3)將混合完畢的石蠟和膨脹石墨放置進真空干燥箱中，設定溫度為50 ℃，抽取真空度為0.08 MPa，在此環境下進行真空吸附，其中,每隔2 h 取出攪拌5 min，此過程共持續8 h，取出即可得到石蠟和膨脹石墨質量比例為100:10 的SSPCM。

制備出材料樣本，如圖3 所示。制備之后的定形相變材料DSC 測試結果，如圖4 所示?？梢钥闯?，PCM在熔化和凝固2 個過程中的相變區間有所不同，升溫時相變范圍約為20～24 ℃，降溫時相變溫度范圍約為16～20 ℃。

圖3 定形相變材料樣本圖Fig. 3 Sample diagram of SSPCM

圖4 定形相變材料DSC 測試圖Fig. 4 DSC curves of SSPCM

2 實驗結果與分析

實驗分為混合回填和普通回填2 種情況。普通回填時，整個實驗沙箱均充滿實驗用回填沙；混合回填時，以發熱棒為中心，布置截面大小為120 mm×120 mm 的回填材料。Zhao[8]研究過程中，采用的定形相變材料體積比例，考慮實際工程中采用質量比例更為直觀，文中采用質量比例材料回填標準，體積比例范圍為30%～70%，該結果為CFD 計算結果，沒有實驗作為支撐。文中擬通過初選一定質量比例的定形相變材料進行初期研究，觀測其熱物理性能，獲得實驗結果，為后期實驗條件下的CFD 模型驗證提供基礎數據，尋找最佳的混合比例。選取SSPCM 和回填沙質量比為3:7 的混合材料進行初期實驗。實驗模擬工況為夏季工況，發熱棒控制發熱量為30 W，對應單位長度發熱量為50 W/m。由于實驗臺尺寸較小，長時間運行下受環境干擾嚴重，所以整體實驗周期較短。其中，A，B 對比實驗選取原則為3 h 運行后回填內部3 個測點位置SSPCM分別處于已熔化、熔化中和未熔化3 個特殊狀態，具有代表性。C，D 以短周期循環代替實際地源熱泵長周期循環，E 為間歇工況對照實驗。文中所用回填材料熱物參數如表2 所示，具體實驗運行模式如表3 所示。

表2 材料參數表Table 2 Material properties.

表3 運行模式Table 3 Operating mode

2.1 SSPCM 回填對回填區域溫度的影響

圖5 分別給出了A 和B 運行模式下的回填區域內部測點溫度隨時間變化情況。由圖5 可知，同樣工況運行3 h 時，混合回填情況下各測點溫度均低于普通回填，距離發熱棒越近，這種特性表現越明顯。r=0.01 m 處測點混合回填比普通回填情況下低10 ℃，r=0.03 m 處低6 ℃，r=0.05 m 處低5 ℃，均可以和熱源保持較大換熱溫差，表現出較強的換熱效果。這主要是由于回填材料中SSPCM 部分存在恒溫相變過程，在這一過程中SSPCM 會吸收很大一部分熱量且溫度保持恒定，并將這部分熱量以潛熱相變而非顯熱升溫的形式儲存下來。SSPCM 所具有的這種特性可以有效降低回填區域內部的溫度升高幅度，增大實際使用過程中地埋管換熱器的換熱溫差，進而改善地埋管的換熱效果。同時，由于越遠離發熱中心時，SSPCM 作用效果就越不明顯，即SSPCM 回填存在一個有效作用半徑，在工程中應根據實際地埋管設計尺寸和運行模式來考慮回填材料的回填半徑。

圖5 回填區域內部溫度變化Fig. 5 Temperature variations inside backfill area

經過9 h 恢復后，普通回填情況下回填區域內測點平均溫度為13 ℃，而混合回填情況下測點平均溫度為12.2 ℃，分別為實驗初場溫度的127.5%和127.6%，可以看出，在啟停時間比為1:3 的實驗運行工況下，混合回填和普通回填恢復情況并無差異。

從圖5（b）中r=0.01 m 處測點溫度曲線可以發現，測點溫度升高過程和下降過程的斜率均有明顯變化，由初始的急速上升或者下降到后來變得平緩。這主要是由于在升溫或者降溫初期，溫度尚未達到SSPCM 相變溫度范圍，SSPCM 以顯熱的形式吸收或釋放熱量，由于混合回填材料導熱系數較大，熱量傳輸迅速，該過程溫度變化較為劇烈；而達到SSPCM 相變范圍時，SSPCM 開始相變，此過程SSPCM 以潛熱的形式吸收或釋放熱量，溫度變化不明顯，溫度變化的斜率開始變緩。

2.2 SSPCM 回填對回填區域外部溫度的影響

圖6 分別給出了A 和B 運行模式下，r=0.08 m，r=0.11 m 和r=0.14 m 3 處回填區域外部測點的過余溫度隨時間變化曲線?？梢钥闯?，不同回填情況下測點的過余溫度變化趨勢表現大致相同：3 h 運行期間隨時間逐漸上升；3～5 h 時處于系統停止運行的初始階段，回填區域內部仍保持較高溫度，向外傳熱溫差大，所以回填區域外過余溫度仍然呈現上升趨勢；5 h 后回填區域內部溫度下降，向外傳熱速率變緩，外部區域過余溫度開始下降。在5 h 升溫階段結束后，普通回填情況下0.08 m、0.11 m 和0.14 m 3 處測點過余溫度分別為3.81℃、3.01℃、1.87 ℃；混合回填情況下分別為3.15 ℃、2.25 ℃和1.23 ℃，明顯低于普通回填。

圖6 回填區域外部溫度變化Fig. 6 Excess temperature change outside backfill area

系統停止運行9 h 后，普通回填情況下0.08 m、0.11 m 和0.14 m 3 處測點過余溫度分別下降至2.43 ℃、2.33 ℃和2.14 ℃；混合回填情況下分別為2.29 ℃、1.98 ℃和1.58 ℃，最大溫度差異分別達到35%。顯示了利用SSPCM 作為回填材料的情況下，能夠有效降低地埋管對周圍溫度場的熱影響。若在多埋管設計時，利用SSPCM，可以起到減小排管間距的優勢。

2.3 間歇運行工況下換熱特性分析

圖7 分別給出了C、D 和E 3 種運行模式下距離發熱中心0.03 m 處測點溫度變化?？梢钥闯?，E 模式即連續運行狀況下，發熱中心內部持續升溫，在15 h 時已經達到30 ℃，換熱效果極差，隨后繼續運行下的地埋管換熱器效率也會隨著換熱溫差的降低持續降低。這是因為在連續運行工況下，相變潛熱利用完后，SSPCM將以顯熱的形式持續升溫，已經無法發揮其性能優勢。間歇運行可以很好地改善這種現象，在C（啟停比1:1）和D（啟停比1:2）模式下15 h 處的恢復時刻溫度分別為21 ℃和20 ℃，均可發揮出強于E 模式的換熱效果。實際應用對象存在大量間歇運行工況，如何優化布置SSPCM，自適應系統啟停時間比是實際應用中的一個關鍵問題。

圖7 不同運行模式下r=0.03 m 處測點溫度變化Fig. 7 Temperature variation of at r=0.03 m different operation modes

同時，也可以明顯看出D 模式下溫升明顯小于C 模式，在15～25 h 時表現較為明顯。這是因為在此區間內，C 運行模式下1 h 的恢復時間已經無法使SSPCM 恢復到相變溫度以下的未熔化狀態，SSPCM 無法完全發揮出相變儲能效果，大部分熱量以顯熱的形式儲存，D 運行模式下，其啟停比為1:2，相對與C 模式，有較長的間歇期。因此，SSPCM 有足夠的恢復時間，從而保證定形相變材料性能的循環使用。所以，D 模式下溫升較小，可以發揮出強于C 模式的換熱效果。由D 運行模式下測點溫度變化可以推測，隨著運行周期繼續進行，2 h 恢復時間也會使SSPCM 溫度無法恢復到相變溫度以下，此時，SSPCM 不能發揮儲能效果。如需要SSPCM再次恢復相變儲能效果，則需較長的恢復時間。在實際工程中，如辦公、商業等建筑為典型的運行-間歇周期，有利于定形相變材料的性能恢復。在后期的研究中，需要通過建筑負荷特性、運行周期、相變材料性能（相變溫度、比熱容、混合比例、相變潛熱）等因素進行綜合分析。

3 結 論

文中通過建立地埋管換熱器實驗臺，分別進行了普通回填下的實驗和定形相變材料（SSPCM）混合回填下的間歇實驗，得到了不同運行條件下，實驗臺溫度場分布情況，根據實驗結果可得到以下主要結論：

1）使用SSPCM 混合普通回填沙進行回填，可明顯改善地埋管換熱器周圍土壤熱堆積情況，降低換熱器周圍回填材料溫度波動。在文中實驗模式下，相比普通回填，混合回填下距離發熱中心0.01 m 處測點低10 ℃左右，0.03 m 處低6 ℃左右，0.05 m 處低5 ℃左右，可較大程度提高地埋管換熱溫差。

2）在實驗條件下，越遠離發熱中心距離，SSPCM 混合回填緩和溫度波動的效果越差。即SSPCM 回填存在一個有效作用半徑，在工程中需根據實際地埋管設計尺寸和運行模式來考慮回填材料的回填半徑。

3）實驗條件下連續運行到后期，SSPCM 以顯熱的形式升溫，已經無法發揮其性能優勢。而間歇運行可以較好恢復SSPCM 性能，使地埋管換熱器較長時間保持大換熱溫差，保持地源熱泵系統較高的運行效率。實際應用時，應考慮SSPCM 恢復情況來設置停機時間長度，這對保持SSPCM 回填下地源熱泵高換熱效率有關鍵作用。

4）在以間歇模式連續運行狀況下，SSPCM 回填區域仍然會有一定的熱堆積，在恢復時間后回填區域溫度仍高于SSPCM 相變溫度范圍時，SSPCM 回填就不能發揮出相變儲能的效果，只能視為有較大導熱系數和比熱容的普通回填材料。在后期研究中，應綜合考慮建筑負荷特性、運行周期、相變材料性能等多方面因素綜合分析。