土壤冻结作用下地埋管换热器的传热特性*

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严寒地区冬季建筑热负荷大、室外及土壤初始温度均很低[1]，地埋管地源热泵系统连年运行导致地埋管换热器(GHE)周围土壤出现的冷堆积问题日益加重，甚至可能导致地埋管侧土壤大范围冻结[2]。因此，探究土壤冻结作用下地埋管换热器的传热机理具有重要意义。

目前，国内外学者对地埋管换热器与土壤间换热的影响因素进行了大量研究。Shang等人利用多孔介质理论建立了地埋管换热器与土壤传热后的土壤温变三维模型，通过数值模拟的方法模拟了二者换热后的土壤温度变化[3]。Jahangir等人综合考虑了土壤体积含水量、温度梯度和气压变化等因素，建立了非饱和土壤中热湿气耦合的新数学模型用于研究地埋管换热器的换热性能[4]。Wang等人建立了一种可预测不同温度下土壤导热系数的数值模型，并用于分析GHE的换热性能[5]。Jahanbin提出一种带有椭圆U形管的GHE，建立了三维模型并引入量纲一形状因子γ评价其换热性能[6]。Meng等人采用数值建模的方法研究了地下水渗流对土壤冻结特性的影响[7]。霍伟业等人采用控制变量法分析了GHE入口流体温度对土壤冻结程度的影响[8]。Zhang等人建立了地源热泵系统的动态模拟平台，分析了埋管间距对土壤冻结时间的影响[9]。Li等人对钻孔内回填材料进行了分析，得出回填材料选用石墨混合物较单一砂石更有助于GHE换热[10]。张之强等人对GHE低温取热工况中土壤冻结锋面的平均移动速度进行了研究，最高移动速度可达1.82 mm/h[11]。……