回填土质材料对地下换热器冻胀特性的影响研究

以地源热泵技术在寒区设施农业中的应用为背景,开展地下换热器低温冻胀特性研究。通过岩土埋管冻胀试验,基于冻结半径追踪和管体应变测量,开展冻结区发展规律以及埋管变形收缩特性的研究,对比砂土基和黏土基回填料对冻胀的影响,并进一步考察换热管容积与流阻变化。结果表明,冻结区在进出水2管中心连线方向发展速度大于其垂直方向,受冻胀影响,U型换热管产生椭圆化变形与收缩,砂土基回填比黏土基回填具有更大的冻结范围,但前者换热管变形和收缩程度却小于后者。换热管在100 h内持续由0降至-10℃后,测得管容积减小率为0.4%,流阻增大率为6.5%,由此可知,埋管冻胀的变形与收缩成为循环流量减小和系统效率下降的原因之一。

地下换热器温变模式对其冻胀作用的影响

为研究地下换热器的低温运行模式对其冻胀变形影响,通过建立管土结构冻胀实验系统,选择连续降温、恒温、大幅度和小幅度周期性变温4种运行模式,采用冻结半径追踪和管体应变测量方法,研究了岩土温度、冻结区发展、换热管受力以及变形特性。结果表明:连续降温模式可产生最大的冻结范围,周期性变温模式的最大冻结范围大于恒温模式;连续降温模式可产生最大的岩土冻胀力,恒温模式次之,周期性变温模式最小;各模式下的换热管均发生椭圆化变形,椭圆化短轴位于进、出水两管中心连线方向,管体变形程度与冻胀力相对应,周期性变温可减轻管体变形;但变温幅度的作用效应有限。可见在实际工程中,应采取措施避免换热管连续降温,在长时间低温运行后,应及时通过升温来减缓管体受力变形的危害。