岩溶地下水渗流-传热地埋管试验平台的研制及模型试验

曾召田，刘兆强，徐云山，2，张炳晖，梁 珍

（1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；2.福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350118）

0 引言

土壤源热泵系统（GSHP）利用地埋管换热器中循环水与土壤中恒温地层进行热量交换，将浅层地热能提取出来以供建筑物内部夏季制冷、冬季供暖，并提供生活热水，具有清洁、节能、环保等优点，近年来在工程建设中得到了广泛应用[1]。随着GSHP技术的推广应用，其设计、运行过程中出现了一系列问题，如岩土体的“冷热堆积”[2]、地下水渗流对地埋管换热效果的影响[3]等。一些学者针对上述问题进行了相关研究，但是目前GSHP技术在广西岩溶地区的应用尚处于初步阶段[4]，主要原因在于该地区具有复杂的岩溶地质条件和丰富的岩溶地下水渗流。以桂林岩溶区为例，红黏土（特殊土）分布广泛[5]，且该地岩溶地下水比较丰富，降雨时伴有明显的地下水流动[4]。由于岩溶地下水主要流经石灰岩和砂砾层，赋存和运移于岩溶管道和岩溶裂隙内，因此不同类型地下水渗流速度的差异也比较明显[6]。一般来说，GSHP竖埋管换热器埋深较大，穿越地层较多，且大部分管段位于饱水带[7]。在饱和渗流区内，土壤热量传递是一个热传导和渗流换热并存的复杂耦合过程，导致土壤源热泵在岩溶地区实际工程中应用较为困难。因此，亟需开展岩溶地下水渗流对竖埋管换热器传热性能影响的相关研究。

目前，国内外学者分别从模型试验、原位试验和数值模拟等方面对渗流条件下地埋管的传热效能进行大量研究。郑川[8]通过一维模型试验探讨了土壤的热-渗耦合效应。邵骏鹏[9]、Alberto[10]分别建立可模拟地下水流动的土壤源热泵砂箱实验台，研究了地下水渗流对地埋管换热性能的影响。曾召田[4]在地源热泵现场实测了岩溶地下水位的季节性变化情况，但未实际分析渗流对地埋管换热 效 果 的 影 响。Diao[11]，Molina-Giraldo[12]分 别 建 立了各种理论模型，并对地下水渗流对地埋管换热性能的影响进行了数值模拟。然而，上述研究均未针对岩溶地区特殊的地层条件进行具体试验，因此，研究结果不能真实反映出岩溶地下水渗流对地埋管换热性能的影响。同时，原位试验存在运行周期长、影响因素多、实际操作难等缺点，数值模拟虽然简单、高效，但需要原位试验或者模型试验数据的支撑和验证，而模型试验具有能够有效控制试验条件、缩短试验周期等优点，既可实时得到研究参数的变化规律，又可为后续的数值模拟提供基础数据。实践证明模型试验是上述3类方法中最为行之有效的研究手段。

本文针对桂林地区典型的岩溶地质条件，建立了一个可模拟渗流-传热的地埋管试验平台。通过不同工况的模型试验，探讨岩溶地下水渗流对地埋管换热器换热效果的影响，深化对岩溶地区地埋管换热器传热性能的认识，为土壤源热泵在岩溶地区的实际工程应用提供基础数据。

1 试验平台

图1为桂林岩溶区某土壤源热泵系统平台示意图。该平台地处漓江流域和屏风山山麓间典型的阶地地貌，岩溶地下水丰富，渗流明显。GSHP地埋管穿越了饱和、非饱和地层，或是红黏土、砂石、石灰岩等不同土质地层。

图1 桂林岩溶区土壤源热泵技术应用示意图Fig.1 Application diagram of GSHP technology in Guilin karst area

针对上述水文地质条件，本文建立了岩溶地下水渗流-传热耦合地埋管试验平台，如图2所示。主要包括试验土箱、地埋管换热模拟系统、渗流系统和数据采集系统4部分。

图2 岩溶地下水渗流-传热耦合地埋管试验平台Fig.2 Buried heat pump test platform of karst groundwater seepage-heat transfer coupling effect

图3为温、湿度传感器布置详图。土层填筑高度控制在距箱底1.5m处，预留10cm以便土样击实。为了系统监测换热铜管和周围土体的温、湿度，在竖向中轴面上布设7层温度传感器，在距箱底600mm处的水平面上交叉布置40支温度传感器，可对同一水平层位进行密集监测。为确保温、湿度传感器精确定位，辅以胶布、绑扎带、钢筋条、亚克力条固定，定位误差控制在±2mm以内。

图3 传感器布置图Fig.3 Layout diagram of sensors

2 模型试验方案

2.1 试验方案

桂林岩溶区的典型地层为上覆红黏土+裂隙石灰岩（岩溶发育）+完整石灰岩，红黏土和完整石灰岩中渗透系数低，岩溶地下水渗流一般不显著，渗流一般发生在裂隙石灰岩中，即形成岩溶地下水渗流。而对于室内模型试验而言，采用天然的裂隙石灰岩进行箱体土层填筑具有相当大的困难。根据岩溶地下水的渗流速度变化范围[4]，本文采用桂林广泛分布的河砂代替裂隙石灰岩，河砂采购于桂林市某砂场，经筛分试验确定为中砂。上覆土层采用桂林红黏土，取自桂林市雁山镇广西师范大学新校区内，呈褐红色，天然含水率为27.5%。

通过室内土工试验获取了中砂和红黏土的基本物理性质指标，如表1所示。

表1 中砂和红黏土的基本物理性质指标Table1Basic physical property indexes of medium sand and lateritic clay

试验箱体内岩溶地下水渗流区为饱和砂土层（干密度1.7g/cm3，含水率21.1%），厚度为800 mm，非饱和区为红黏土层（初始干密度1.3g/cm3，含水率26.7%），厚度为700mm。整个土层表面均做绝热处理，室内温度始终保持在20℃。

为研究岩溶地下水渗流对地埋管换热的影响，本文按夏季制冷GSHP运行模式分别进行了4个工况的模型试验。设置箱内土体和地下水的温度为20℃，换热铜管内入水温度设置为35℃，控制地下水渗流的水头差分别为0，5，10，15cm，对应的水力梯度约为0，0.04，0.08和0.12。具体试验概况见表2。

表2 考虑有无渗流影响的模型试验概况Table2Model tests with or without seepage influence

2.2 试验过程

以表2中工况IV为例，具体试验过程如下。

制备土样：将取回的红黏土样风干、碾散、过5mm筛，利用喷雾法配制含水率为26.7%的湿土样，密 封 静 置5d，确 保 土 样 水 分 均 匀，如 图4（a）。由于砂土层位于饱和区，可通过渗流进行饱和。

分层击实：根据既定的土层体积、含水率和干密度，称取一定质量润湿均匀后的土样，倒入试验土箱内，采用分层击实法将土样击至目标干密度和层位，共分15层击实，每层厚度为100mm，如图4（b）。

埋设传感器：为确保传感器间相对位置不随击实过程发生变化，先将传感器固定在钢筋上，如图4（c），按 预 设 的 布 置 位 置（图3）进 行 埋 设。

密封、保温处理：土层填筑完后，用塑料膜将土箱密封好，防止试验过程中土箱内水分流失，如图4（d）。

开启渗流系统：将上游水箱的溢流孔和下游水箱对应水头差高度处的出水孔阀门打开，随后以恒定流量向箱体底部进行注水，待溢流孔和出水孔出水量稳定，即渗流场已稳定，如图4（e）。

设置换热铜管入水（热源）温度：将水箱温度调至目标值，待温度达设定值且恒定，如图4（f）。

调试自动采集设备：将传感器、采集器和电脑连接调试好，设置温度采集间隔为0.5h，同时设置好自动采集开始时间，如图4（g）。

开始试验：确保渗流场和恒温水箱循环水温度达到稳定，再打开恒温循环水箱外循环的阀门，使恒温循环水流进换热铜管与土层进行热交换，如 图4（h）。

图4 模型试验过程Fig.4 Model test process

3 结果与讨论

图5反映了制冷模式，不同渗流速度下换热铜管周围土体温度随运行时间的变化趋势。

图5（a）～图5（d）分 别 表 示 图3中 测 点4-1～4-12在 渗 流 速 度 为0，3.59×10-6，7.94×10-6，1.08×10-5m/s下换热铜管周围土体温升曲线。

由图5（a）可知，在换热铜管对土层加热过程中，换热铜管附近各测点（如4-5，4-8）的温度先急剧增加后渐渐变缓并趋于稳定不变，但是在距离换热铜管（热源）较远处，由于热量扩散的滞后作用，土壤温度一直处于不断上升阶段（温度变化幅度也较小）。距离换热铜管（热源）越近，土壤初始阶段的温升越显著。加热相同时间下，在离换热铜管相同距离右侧测点（4-1～4-5）的温升稍大于左侧，这是因为换热铜管左、右支分别为入、回水端，对土层进行加热时，铜管右支的温度要稍微大于左支。

图5 不同渗流速度下换热铜管周围土体温度随运行时间的变化曲线Fig.5 Change curves of soil temperature around the heat exchanger copper tube with running time under different seepage velocities

由 图5（b）～图5（d）可 知，渗 流 作 用 下，上 游各测点（4-8～4-12）的温升明显小于下游各测点（4-1～4-5）。而 且，渗 流 速 度 越 大，上 游 土 层 温 升达到稳定后的数值越大，下游土层温升的稳定值反而越小。以左测点4-5和右测点4-8为例，在渗 流 速 度3.59×10-6，7.94×10-6，1.08×10-5m/s下，测点4-4最终温升分别为8.3，8.4，9.9℃，测点4-9最终温升分别为4.9，2.7，3.3℃。由此可见，渗流对管-土换热系统影响显著，可将上游侧热量携带至下游，促进了换热铜管释放的热量向下游传递的同时，也抑制了热量向上游的传递，可有效减弱换热铜管周围土层的热量堆积。对比图5（a）和5（d）可发现，渗流作用下，换热铜管周围土层温度场达到稳态时间明显减小，表明渗流作用可促使土层温度场更快达到稳态，这是因为渗流加快了土层内热量的传递，即加快了地埋管与土层间的换热速度。

根据能量守恒原理可知，地埋管内循环介质等效为周围土层热量的变化，据此可依据土层周围温度场的变化量来近似估算地埋管换热量的大小，定义地埋管换热量QE为

式中：m为埋管周围土层的质量；C为比热容；ΔTsoil为温度变化量。

据此可估算出渗流作用对地埋管换热量的影响，当地埋管换热100h时，无渗流条件下整个土层的温度变化量（近似取所有测点的平均值）为4.73℃，而渗流速度为1.08×10-5m/s时整个土层的温度变化量为4.14℃，由于渗流作用加快地埋管释热量向土层传递，因而渗流作用下土层的平均温度反而稍低些，渗流作用时使得地埋管换热量提升了约12.5%。

图6为制冷模式下，不同渗流速度作用3d后土层的温度场云图（对应图3中的XY面层，该面层位于渗流区）。其中，铜管入水温度与土层初始温度的差值ΔT=+15℃。

图6 不同渗流速度运行3d后土层温度场云图（XY面层）Fig.6 Temperature field cloud map of the soil layer after3d operation at different seepage velocities（XY layer）

由图6可知，无渗流作用时，热换铜管周围土层温度场呈同心圆状分布；渗流作用下，温度场分布呈漏斗状，堆积在换热铜管附近（近端）的热量明显消散了，这部分热量被渗流水携带至远端，故远端处温度升高。因此，在实际工程设计中，若场地内存在地下水渗流，应尽可能将地埋管换热器布置在上游区域，可有效缓解地埋管换热器周围热量堆积的现象。

图7为制冷模式下不同渗流速度作用3d后XZ面层的温度场云图。该面层上部区域是非饱和红黏土层，下部为饱和砂土层。由图7（a）可以看出，无渗流作用时，XZ面层温度场沿换热铜管轴线对称分布；铜管与土层换热相同时间后，铜管释放的热量对下部饱和砂土层的影响范围大于上部非饱和红黏土区域，这是因为饱和砂土的热传导系数要大于非饱和红黏土，热量在热传导系数较大 介 质 中 的 传 递 速 度 更 快。比 较 图7（a），（b）可 发现，渗流作用下，上游热量明显被携带至下游处。比 较 图7（a）～（d）可 发 现，随 着 渗 流 速 度 的 增 大，换热铜管周围所能达到的最高温度明显减小，表明渗流能有效削弱热量堆积。这是因为渗流能够更快地将过热区域的热量及时扩散至其它区域。

图7 不同渗流速度运行3d后土层温度场云图（XZ面层）Fig.7 Temperature field cloud map of the soil layer after3d operation at different seepage velocities（XZ layer）

图8为渗流作用下径向各测点温度随运行时间的变化。

图8 渗流作用下径向各测点温度随运行时间的变化Fig.8 Change in temperature of radial measuring points with operation time under the action of seepage

渗流速度为1.08×10-5m/s，运行模式为制冷，对应表2中的试验工况IV。由图8可知，渗流作用下，上游各测点温升明显小于下游各测点，且温升随时间推移呈先快后慢的变化模式，均与图5结果一致。上游处测点温升趋于稳定大约需要3 h，而下游测点温升趋于稳定需时可达48h。这可能与渗流路径有关，渗流作用下，渗流将所携带的热量运移至下游的路径明显比上游长，故需时更长，因而上游各测点温升达到稳态需时更短。

4 结论

本文针对桂林地区典型的岩溶地质条件，建立了岩溶地下水渗流-传热地埋管试验平台，探讨了不同工况条件下岩溶地下水渗流对地埋管换热器换热效果的影响，并得出如下结论。

①渗流作用下，上游处土体的温度变化明显小于下游处，且渗流速度越大，其对地埋管周围土层温度场的影响越大；与无渗流条件相比，渗流作用下地埋管周围土层温度场达到稳态的时间明显减少，渗流速度为1.08×10-5m/s时，整个土层温度场达到稳态速度提升约90%，即渗流作用可有效促进地埋管与土层间的换热速度，本质上是因为渗流加快了土层内部的热量传递。

②渗流作用下，地埋管周围土层的均值温度小于无渗流条件，由于渗流作用加快地埋管释热量向土层传递，因而渗流作用下土层的平均温度反而稍低些。据本文所提出的地埋管换热量计算发现，渗流速度为1.08×10-5m/s时，渗流作用使得地埋管换热量平均提升了约12.5%。

③渗流对地埋管换热系统的影响规律表现为：岩溶水渗流作用会将上游侧热量携带至下游，促进了换热铜管释放的热量向下游传递的同时，也抑制了热量向上游的传递，因而可有效减弱地埋管周围土层的热量堆积。

④在布置地埋管管群时，可以考虑实际的地下水渗流速度大小和渗流方向，通过合理设置埋管间距和位置，有效提高地埋管的换热性能和热泵系统的性能参数；后期将开展岩溶地下水渗流作用下地埋管管群的合理布置研究。