间歇储热模式下低含水率土壤的增湿传热实验研究

孟欣 何伟 庾汉成 胡中停

1 合肥工业大学土木与水利工程学院

2 青海建筑职业技术学院

0 引言

土壤源热泵节能、环保，发展前景广阔，中国在土壤源热泵技术方面经历了快速的发展，已成为全球最大的热泵用能国家[1]。地下埋管换热器作为整个热泵系统进行热量交换的中心，其换热效果与土壤的传热能力直接相关，决定了热泵系统的效率。土壤源热泵系统在长期不同模式的运行过程中，由于土壤温度的扰动带来土壤温度场的变化，导致其换热性能下降。

为提高土壤源热泵换热效率，保持地源热泵机组长期稳定运行，需维持土壤的换热能力，大量研究[2-4]表明间歇机制对于恢复地下土壤温度，保持地埋管高效换热是一种行之有效的途径。此外，土壤作为一种复杂的多孔介质，土壤孔隙间含水量对土壤热扩散率的影响至关重要。土壤热扩散率与土壤含水率的关系比较复杂，因为土壤水分含量的变化同时对土壤热导率和土壤热容量产生影响，因此土壤热扩散率与土壤湿度并非简单的线性关系[5]。研究发现[6]，在土壤含水率较小的情况下，随着土壤湿度的增大土壤热扩散率增加，但当土壤含水率超过一定数值以后，因热导率的增加不显著，而热容量仍随湿度线性增加，所以土壤热扩散率反而下降了，因此土壤湿度对传热效果影响重大。当土壤源热泵在夏季制冷运行工况下，循环介质通过埋管向土壤散热，在垂直于埋管方向水分沿温度梯度由地埋管向外迁移，使得热源处土壤含水率下降，换热器与土壤间换热效果降低，同时，热量在埋管附近累积。为加速热量扩散，恢复土壤传热能力，应考虑调节土壤湿度。Arnold B.Platts[7]就设计了一种围绕在水平埋管周围的膜结构，将饱和沙土填充在膜内，膜结构能够阻碍水分的迁移。

本文针对低含水率土壤，设计并搭建一维土壤实验台，在间歇加热模式下，通过调节在加热阶段初始时刻和恢复阶段初始时刻热源附近土壤湿度，最终获得不同时刻增湿量下土壤的传热性能和温度恢复相应特性。

1 土壤温度恢复特性

系统停机后土壤温度的自然恢复过程称为土壤温度恢复过程。土壤的温度恢复特性受众多的因素影响，包括土壤热物性参数（比热容、密度、导热系数、热扩散系数）、热泵运行方式（连续运行、间歇运行）及换热量等。

土壤温度恢复程度可用土壤温度恢复率[8]表示：

式中：t 为计算时刻土壤恢复到的温度，℃；ts为系统停止运行时土壤温度，℃；t0为土壤初始温度，℃。

强化土壤传热要考虑到土壤温度场所受的环境温度变化影响，运行时间影响，土壤深度影响以及土壤物性影响等，本文所设计微型实验台在一维层面进行，忽略其他因素，只考虑增加热源处湿度对土壤传热的影响。

2 实验装置及测试方案

2.1 实验装置

图1 为一维土壤热湿传递实验示意图，系统由热源（恒温水浴箱连接钢罐循环热水），渗水增湿装置，土柱体，及数据采集装置等构成，各装置详细参数见表1。该实验装置被设计用来模拟垂直埋管传热，土壤中的水分水平迁移，热量传递及渗水增湿过程，土柱固定在水平面上，忽略重力的影响。

图1 一维土壤热湿传递实验装置示意图

表1 实验所需装置及规格

可控微孔渗水加湿装置设置在热源壁面处，该装置由200 ml 容量带刻度针筒及直径5 mm 的塑料管组成，在塑料管上均匀刺穿微孔，将塑料管紧贴加热钢罐埋入土壤中固定，通过人为加压控制针管向土壤中以一定速率注入相应水量，水分通过微孔不断渗出，对周围土壤渗透增湿。渗水增湿过程分别选择在加热初始时刻和恢复初始时刻进行，即在对土壤加热前或在关闭循环水箱系统开始恢复时在热源壁面处渗水管注入相应水量，每种实验工况仅在其中一个时刻增湿。

通过比较几种土壤的热湿特性，沙子的导热率对含水率的改变更为敏感[9]，为使实验效果更为显著，实验土壤采用黄沙填充土柱。盛土容器采用长度为1000 mm，内径为150 mm 的PVC 管。调节恒温水浴装置中水温（精度为±0.1 ℃）并通过水管连接以恒定速率流入向不锈钢桶中并循环热水加热，利用恒温钢桶作为土壤的热源，通过钢桶壁面传热，管体和水管均包裹保温材料以减小环境温度对土体温度的干扰。由于在靠近热源处土壤区域温度湿度变化较为显著，选择距 离 热 源 壁 面30 mm，80 mm，130 mm，230 mm，380 mm，580 mm 不均匀放置六个温湿度传感器记录土壤温度湿度数据，此外距壁面每隔100 mm 均匀放置热电偶接入数据采集仪，每间隔30 s 需要采集一次数据。

本实验采取1:1 启停比的运行模式，以方便对比加热与恢复阶段运行数据，即运行12 小时后关闭循环水箱使土壤恢复12 小时，记录各测点温湿度数据。

2.2 测试方案

实验前准备：将实验用黄沙置于恒温烘干箱，以100 ℃高温烘干12 小时以去除其水分，在室温静置待用，需配置特定含水率黄沙时，均匀喷洒纯水并搅拌静置。每次实验对黄沙重复烘干。

预实验：

①加热烘干后，配置土壤初始含水率10%，设定热源温度45 ℃，室温23 ℃，对土壤进行间歇加热，连续进行两组实验。图2 为初始含水率10%土壤温度变化曲线，测试发现在运行24 h 后（24～48 h）各测点温度峰值相较于前24 h 分别下降0.55 ℃、0.26 ℃、0.39 ℃、0.22 ℃、0.35 ℃、0.09 ℃。

②加热烘干后，配置土壤初始含水率5%，设定热源温度45 ℃，室温23 ℃，对土壤进行间歇加热，在24 h 时刻对土壤注入100 ml 水。图3 为实测土壤温度变化曲线，对比前24 小时5%含水率土壤与10%含水率土壤温度曲线，发现前者传热效果差。后24 h 各测点土壤温度在热源处增湿后迅速升高，且相应测点温度峰值相比于未加水前分别升高2.71 ℃，4.61 ℃，3.30 ℃，1.60 ℃，0.7 ℃，0.41 ℃。

图2 初始体积含水率（VWC）10%土壤温度曲线

图3 初始体积含水率5%土壤温度曲线

预实验证明热源处土壤增湿对土壤传热有改善作用，为具体研究加热阶段和恢复阶段不同增湿量对土壤传热的影响，设计实验分为Ⅰ正常运行、Ⅱ加热阶段增湿、Ⅲ恢复阶段增湿三类共七组，控制渗水增湿量为单一变量。

土壤初始含水率越低，增湿对传热效果增强效果越明显，经烘干处理后的沙子自然含水率为4%，选择其作为初始含水率。恒温水箱温度45 ℃，室内环境温度16～18 ℃，具体实验工况见表2。

表2 实验工况

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

实验发现加热初始阶段增湿50 ml、100 ml、150 ml 土壤温度变化及含水率变化规律相似，下文仅仅展现在加热初始时刻增湿100 ml 的工况下土壤温度变化及含水率变化测试结果。同样，实验测试发现对于恢复初始时刻增湿50 ml、100 ml、150 ml 土壤温度变化曲线和含水率变化规律相似，下文仅给出恢复初始时刻增湿150 ml 的工况下土壤温度变化及含水率变化测试结果。

图4 为加热初始时刻增湿100 ml 土壤温度变化曲线。开始加热后0 cm（热源）处温度迅速上升并到达最高温度，12 h 后关闭热源，温度迅速降低，整个过程无温升滞后，而距离热源10 cm，20 cm 和30 cm 处温度峰值较0 cm 处依次降低，随着与热源距离的增大，各测点温升速率降低，达到峰值时间也相应延迟，从图4 中可以看出距离热源30 cm 处土壤温度测试过程温度变化幅度最高仅为1.5 ℃，而距离热源更远的测点温度几乎不变。

图4 加热初始时刻增湿100 ml 土壤温度变化曲线

图5 加热初始时刻增湿100 ml 土壤体积含水率（VWC）变化曲线

图5 为加热阶段初始时刻增湿100 ml 土壤体积含水率（VWC）变化曲线。距热源3 cm 土壤初始含水率在注水后迅速达到24.1%，加热过程中含水率在温差和湿度差作用下向远端迁移不断下降，恢复阶段（12 h 后）由于温差驱动力减小，下降速率变缓。然而，8 cm 处含水率在加热阶段因为受热源处水分扩散影响不断上升，恢复阶段在湿度差作用下稍有下降，13 cm 处含水率略有上升并在恢复阶段略有下降，但变化不明显，水分几乎不能扩散至23 cm 之后的区域，23 cm 后测点的含湿量几乎不受增湿影响。

图6 为恢复阶段初始时刻增湿150 ml 土壤温度变化曲线。在12 h 时刻，热源壁面处渗水管注入室温的纯水，热电偶接触到未被加热的纯水，0 cm 处（热源）温度出现陡降，但对总体温度下降曲线趋势的影响较小。距离热源10 cm 处温度在接近11 h 时达到温度平衡峰值，但在注水0.8 h 后温度开始上升，出现第二峰值。20 cm 处土壤温度也出现小幅温升和第二峰值。30 cm 后土壤温度变化忽略不计。

图6 恢复初始时刻增湿150 ml 土壤温度变化曲线

图7 恢复阶段初始增湿150 ml 土壤体积含水率（VWC）变化曲线

图7 为恢复阶段初始时刻增湿150 ml 土壤体积含水率（VWC）变化曲线，从图中可以得出，受热源加热的影响，在未加湿前土壤各测点含水率随传热扩散而略有上升，并在温度恢复阶段前达到稳定。在恢复阶段初始时刻注水后（12 h 后），距离热源3 cm 含水率迅速达到最高值，然后水分在温差和湿度差作用下向外迁移，含水率下降在14.1 h 达到稳定。8 cm 处含水率在注水后开始上升并在14.3 h 达到峰值，随后下降，呈现先上升后下降趋势。13 cm 处含水率略有上升并很快达到稳定状态。距离超过23 cm 后的测点温度几乎不受水分变化影响。

3.2 实验结果分析

3.2.1 土壤水分迁移规律

选取距热源3 cm，8 cm，13 cm 测点进行进一步讨论分析，图8 为间歇储热模式下各测点在加热阶段初始时刻增湿、恢复阶段初始时刻增湿及未增湿工况下土壤体积含水率随时间变化曲线。图8（a）得出，对于在加热阶段初始增湿工况，距热源3 cm 处土壤初始含水率随增湿量增加而增加，加热后水分向外迁移，含水率不断下降，恢复阶段含水率下降变缓。整个过程各工况土壤含水率下降10.1%，11.6%，7.5%（对应于增湿50 ml，100 ml，150 ml，下同）。对于在恢复阶段初始增湿工况，在加热阶段结束后，3 cm 处土壤湿度增加0.8%，恢复阶段初始含水率随增湿量增加而增加。由于无热源加热，水分迁移不明显，达到稳定后各工况含水率仅分别下降3.3%，4.4%，2.5%。图8（b）为距热源8 cm 处土壤含水率变化曲线。加热初始增湿时，远端土壤得湿，增湿量越大，含水率增长速度越快，增幅越大，恢复阶段含水率略有下降，分别下降0.67%，0.55%，0.28%，增湿150 ml 时下降幅度最小。恢复阶段初始时刻增湿时，8 cm 处土壤恢复阶段含水率略有升高，各增湿量工况差异很小，分别升高0.25%，0.26%，0.47%。说明温度是驱动水分迁移的主要动力，土壤含水率较高而温差驱动势较小时，土壤能够更好的将水分保持在孔隙中。图8（c）为13 cm 处土壤温度变化曲线，显示出与图8（b）相似规律，变化幅度更小。

图8 土壤各测点不同工况下体积含水率（VWC）变化曲线

3.2.2 加热阶段初始时刻增湿土壤温度变化规律

图9 为距热源3 cm，8 cm，13 cm，23 cm 处土壤在加热阶段初始不同增湿量下温度变化和温度变化率曲线。以未增湿工况（0 ml）为基准，在增湿后，加热阶段各测点温度峰值均升高，温度增幅随增湿量的增加而增加，温度恢复阶段温度恢复速率随增湿量增加而增大。

图9 加热阶段初始时刻增湿各测点温度变化及温度变化率曲线

由图9（a），加热阶段，由于靠近热源，加热后3 cm处温度迅速上升，温升速率及温度峰值随增湿量的增加而升高。增湿50 ml、100 ml、150 ml 工况下，加热12 h 后土壤温度分别比未增湿工况高4.30 ℃、6.10 ℃、6.28 ℃。增湿50 ml 时，提升效果最为显著。恢复阶段，增湿工况下恢复速率远大于未增湿工况，且随增湿量增加而增大，但差距不明显。恢复终了，增湿工况分别比未增湿工况温度低4.09 ℃、0.53 ℃、2.52 ℃。3 cm 后的测点由于与热源距离增加，温度响应时间随距离增加而增加，随着增湿量增加，各测点响应时间缩短。见表3。

表3 土壤温升响应时间与增湿量关系

由图9（b），8 cm 处测点增湿对土壤含水率依然有较大影响，加热12 h 后土壤温度分别比未增湿工况高温度高5.92 ℃，8.00 ℃，8.66 ℃。恢复阶段温度恢复速率均大于未增湿工况，随增湿量增加无显著差异，随时间逐渐变缓。未增湿工况温度恢复率50.26%，各增湿工况下温度恢复率均增强，分别达到69.11%，66.70%，63.51%。但由于热源向远端传热显著增强，此处温度恢复12 h 后温度高于未增湿工况。

对于测点13 cm（图9（c））和23 cm（图9（d））处，总体趋势和8 cm 处测点变化规律相似。加热阶段，温度峰值和温度变化率峰值均呈现梯度变化且梯度更为明显，峰值出现时间随着与热源距离的增加往后推移，温度变化率的峰值随着与热源距离的增加更加趋于平缓，值得注意的是未增湿工况下23 cm 测点温度持续上升，没有出现峰值，推测峰值在24 h 以后。恢复阶段，温度恢复速率平稳，仅增湿150ml 工况下13 cm处出现明显峰值。8 cm 和13 cm 处温度变化呈梯度是由于测点处含水率随增湿量增加而增加，传热能力呈梯度变化，含水率越高温升更为显著，在土壤温度梯度的叠加作用下，远端测点呈现更高的温度梯度。对于23 cm 处的测点，由于该处土壤含水率几乎不受增湿影响，因此其温度变化主要受前端温度传递影响，和13 cm 处有十分相似的温度梯度。

3.2.3 恢复阶段初始时刻增湿土壤温度变化规律

图10 为距热源3 cm，8 cm，13 cm，23 cm 处土壤在恢复初始时刻增湿工况下土壤温度变化和温度变化率曲线。前12 h 均为相同未增湿工况曲线，选取12 h 后曲线进行分析。

由图10（a），距热源3 cm 处温度恢复速率随增湿量增加略有增大，但无明显差别，最终温度分别比未增湿最终温度降低2.75 ℃，3.11 ℃，3.26 ℃。土壤经过12 h 温度恢复后，未增湿工况温度恢复率为62.7%，增湿50 ml，100 ml，150 ml 后温度恢复率显著提升，分别达到78.9%，81.9%，81.1%。3 cm 后的测点，由于受热端传热影响和土壤传热滞后，未增湿工况下存在停止加热后温升延续和温度恢复滞后的现象，在增湿后热源处热扩散显著增强，后续测点温升更加明显。

由图10（b），恢复初始距热源8 cm 处土壤温度出现明显上升，温度峰值、温升率峰值随增湿量的增加呈梯度增加，未增湿工况无温度峰值和温度变化率峰值。温度开始下降后，温度下降速率均大于未增湿工况，在增湿150 ml 时温度变化率更为显著。恢复终了，分别比未增湿工况低1.31 ℃，1.01 ℃，1.57 ℃。未增湿工况温度恢复率为50.6%，增湿50 ml，100 ml，150 ml后温度恢复率显著提升，分别达到63.9%，61.4%，67.4%。

由图10（c），由于未增湿工况下也存在土壤中水分迁移，恢复初期也出现温度峰值。增湿工况下，随增湿量增加，温度峰值越高，温度恢复开始时间越滞后。温度恢复时各增湿工况温度下降速率相近，均比未增湿工况高，恢复终了温度分别比未增湿工况低0.84 ℃，0.42 ℃，0.31 ℃。未增湿工况温度恢复率为26.39%，增湿50 ml，100 ml，150 ml 后温度恢复率有所提升，分别达到41.93%，35.99%，38.86%。处温度保持微小上升，推测未增湿工况23 cm 处温度开始恢复的时间会更加滞后，于24 h 以后。

4 结论

图10 恢复阶段初始时刻增湿各测点温度变化及温度变化率曲线

由图10（d），23 cm 测点由于距离热端的距离远，受水分扩散影响小，含水率无明显变化，不同增湿量工况结果无明显差异，温度变化主要受热端传热影响，温度峰值更加滞后。而未增湿工况下，23 cm 前的测点在实验后期（20 h 以后）温度下降速率较小，23 cm

1）在运行12 h 后恢复12 h 的间歇加热模式下，实验测试发现热源对含水率为4%的土壤温度的扰动范围约在距离热源30 cm 的范围内，在加热和恢复初始时刻增湿后水分扩散范围均在23 cm 测点以内，23 cm测点后土壤含水率几乎不受增湿影响。

2）对于加热初始时刻增湿工况，在增湿50 ml、100 ml、150 ml 时土壤温度平均响应时间分别缩短28.7%，37.3%和43.2%，增湿量越大土壤温升速率越大、升幅越显著，土壤整体热扩散明显增强。在温度恢复阶段，土壤温度恢复速率增大，热源处土壤恢复终温低于未增湿工况，热源与土壤间可利用传热温差增大。

3）对于恢复初始时刻增湿工况，在增湿50 ml、100 ml、150 ml 时土壤平均温度恢复率较未增湿工况增加13%～16%，随增湿量增加无显著差异，增湿后热源处土壤温度持续下降，恢复终温分别比未增湿时低2.75 ℃，3.11 ℃，3.26 ℃。热源后测点出现第二峰值，峰值随增湿量增加而升高，且恢复终温均比未增湿工况低。实验结果表明，由于停止加热后温差驱动势较小，水分扩散程度较小，对于初始含水率很低的土壤，少量增湿即可以达到加速土壤温度恢复的目的。

4）加热初始时刻与恢复初始时刻增湿均能增强土壤温度恢复过程，降低热源处土壤温度，增湿后热源处热量扩散更强、范围更广，可缓解热源处热量堆积、温度过高。此外，加热初始时刻增湿还可以增强加热阶段热量扩散，且恢复阶段能够使土壤整体温度降低至更低水平，效果更好。

5）本实验仅在一维土柱中进行，且运行周期短，为继续研究热源处增湿对传热改善的规律，后续实验应在更大尺度，更长运行周期条件下进行。