寒冷地区地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性研究

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1、学校代码:10255学号:2161416DONGHUAUNIVERSITY硕士学位论文寒冷地区地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性研究Studyontemperaturerecoverycharacteristicsoffrozensoilaroundgroundheatexchangerincoldregions专业名称：建筑与土木工程姓名：聂怀宇指导老师：周亚素教授完成日期：2018年4月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本

2、论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月

3、日日期：年月日东华大学聂怀宇硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注教授级高级石伟良答辩委员会主席上海中船九院工工程师程咨询有限公司赵敬德副教授答辩委员会委员东华大学杨洪海副教授答辩委员会委员东华大学刘刚副教授答辩委员会委员东华大学杨小明工程师答辩委员会秘书东华大学摘要寒冷地区地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性研究摘要寒冷地区使用地源热泵系统供暖时，埋管附近土壤会有冻结现象发生，由于土壤的冻融相变会带来潜热量的交换，因此，需要对存在冻结现象的土壤在地源热泵机组停机时的温度恢复情况进行评估，从而保障机组后续的稳定运行。本课题基于相变传热的理论分析，搭

4、建沙箱实验平台，对地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性进行研究。首先，利用沙箱实验平台模拟地埋管从土壤中取热至土壤出现冻结以及冻结土壤的温度恢复过程，实验研究管内流体温度和土壤含水率对冻土层温度恢复特性的影响。结果表明：随着管内流体温度和土壤含水率的升高，对冻土层温度恢复的促进作用逐渐增大，表现在冻土层融化速率加快，全部冻土融化所需时间缩短，同一恢复时间冻土层内相同位置处土壤的恢复温度与恢复率升高。其它条件相同时，管内流体温度由-10℃升高至-2℃时，全部冻土融化所需时间由1.53h减少到0.22h，减少了85.62%；土壤含水率由10%上升到25%时，全部冻土融

5、化所需时间由0.94h减小到0.75h，减小了20.21%。然后，介绍了数值模拟的方法，并模拟计算不同工况下的土壤温度场，将模拟计算值与同一工况下的实验测量值进行对比，结果表明：模拟值与实验值的最大误差为14.14%，满足工程计算精度要求，说明该数值模拟计算的方法对于本实验模型具有适用性。随后，利用已验证的数值模拟计算方法分析土壤初始温度、导热系数、体积热容三个因素对冻土层温度恢复特性的影响。结果表明：土壤初始温度和导热系数的增加能够促进冻土层的融化与温升，表现在冻土层融化速率加快并且同一恢复时间冻土层内相同位置处土壤的恢复温度与恢复率升高。而土壤体积热容增大

6、对冻土层的温度恢复起到抑制作用，表现在冻土层融化速率减慢并且同一恢复时间冻土层内相同位置处土壤的恢复温度与恢复率降低。最后，利用模拟计算方法，研究了强制恢复对冻土层温度恢复特性的影响。结果表明：相较于自然恢复，强制恢复对冻土层温度的恢I摘要复效果有显著提升。强制恢复能够加快冻土层的融化速率并提升恢复过程中土壤的温升速率。其它条件相同时，管内持续循环30℃的热水对土壤进行强制恢复能够使全部冻土融化所需时间比自然恢复时缩短90.99%。此外，强制恢复温度越高，对冻土层温度恢复的促进效果越显著。本文的研究成果可以为评估寒冷地区地源热泵系统运行时地埋管周围有土壤冻结情

7、况下的土壤温度恢复性能提供参考。关键词：土壤冻结，相变传热，恢复特性，等效热容法，冻结边界层IIABSTRACTSTUDYONTEMPERATURERECOVERYCHARACTERISTICSOFFROZENSOILAROUNDGROUNDHEATEXCHANGERINCOLDREGIONABSTRACTWhenthegroundsourceheatpumpisusedforheatingincoldregions,therewillbeafreezingphenomenoninthesoilnearthegroundheatexchanger.Becaus

8、ethefreezingandthaw