摘要
为研究定形相变材料(SSPCM)作为地埋管回填材料的传热特性，以30 W圆柱形发热棒作为线热源模拟地埋管换热器，用膨胀石墨吸附石蜡制成SSPCM，并将其和普通回填沙以3:7的质量比混合制备成混合回填材料，分析在夏季间歇运行工况下，SSPCM混合回填下的传热特性。结果表明，在短期实验运行模式下，相对普通沙回填，SSPCM混合回填材料形成的温度场优势明显，温度波动较小，管壁附近过余温度差异可达到10 ℃；距离发热中心距离越近，减缓温度场变化的效果越明显；在2种回填条件下，恢复后稳定温度以及恢复所需时间无显著差异；在多周期间歇运行工况时，回填区域内温度明显低于连续运行状况；若运行时间导致的温升超过相变材料潜热利用阶段，SSPCM无法发挥出相变储能的优势。该实验现象对SSPCM实际应用有一定参考价值。
在当今能源紧缺的背景下，地热能作为可再生能源在多领域得到广泛应用，其中地源热泵系统由于节能高效的优势得以大面积推广。地埋管换热器作为地源热泵的重要热交换装置，换热效率直接关系到地源热泵能否高效运行。但地埋管换热器会随热泵机组持续运行导致周围岩土初始温度上升或下降，显著降低地源热泵的运行效率。原位固有地质条件难以改变，但处于地埋管换热器和周围土壤中间的回填材料性能可以控制。回填材料作为地埋管内流体和周围土壤的换热媒介，其热物参数对地源热泵的效率有显著的影
现有研究的地埋管回填材料主要为纯相变材料。一方面，PCM导热系数远低于普通回填材料，不利于地埋管换热；另一方面，PCM相变熔化容易造成泄漏，污染环境。基于以上问题，Li
上述方法多集中在研究纯PCM作为回填材料或者以数值模拟的方法研究SSPCM回填下的换热效果。针对SSPCM增强换热和缓解温度波动两方面的实际效果，尚需要开展大量工作。文中采用搭建实验台实验的方法，研究SSPCM混合回填情况下的换热特性。
实验系统装置图和系统原理，如
图1 实验系统图和系统原理图
Fig. 1 Experimental system diagram and system principle diagram
为避免环境温度对实验造成较大影响，木箱6个面均用70 mm厚橡塑隔热材料进行保温从而模拟恒定原边界。在实验沙箱300 mm中间截面处，沿发热棒径向共布置6个T型铜-康铜热电偶(测量精度±0.5 ℃)测点，实际分布和示意如
图2 测点实际分布图及示意图
Fig. 2 Actual distribution and schematic diagram of thermocouple
相变材料由于其结构和组成不同，会表现出不同的物化性质，在不同场合需要针对使用场景选取不同的相变材料。在以地埋管换热器换热效果作为优先考虑目标时，相变材料导热系数，相变潜热和比热容大小是影响最大的3个指标。理想情况下，选取的相变材料应有较合适的相变温度，较大的比热容和相变潜热。但实际情况下，很难同时满足这些条件，只能考虑在合适相变温度下选取比热容和潜热尽可能大的材料。
重庆地区地下100 m年平均温度为19.6
由于石蜡为固液相变过程，融化后会渗入周围岩土层，污染周围土壤环境，可利用膨胀石墨多孔隙结构特性，吸附石蜡定形，避免环境污染。同时，膨胀石墨吸附也可有效提升回填材料导热系数，提高地埋管换热效果。实验所用石墨膨胀后80目，膨胀率200~300，纯度99%，制备定形相变材料过程中所用的仪器设备如
| 使用仪器 | 仪器规格 | 主要用途 |
|---|---|---|
| HH-ZK600恒温水箱 | 范围：室温~99.9 ℃，波动：±1 ℃ | 加热融化石蜡 |
| DZF-6020真空干燥箱 | 温度：50~200 ℃，真空度<267 Pa | 干燥/真空吸附 |
|
2XZ-1 旋片真空泵 |
抽气速度：1 L/s 极限压力：0.06 Pa | 抽取真空 |
实验采用的SSPCM制备方法为真空浸渍法，制备步骤参考文献[
制备出材料样本，如
图3 定形相变材料样本图
Fig. 3 Sample diagram of SSPCM
图4 定形相变材料DSC测试图
Fig. 4 DSC curves of SSPCM
实验分为混合回填和普通回填2种情况。普通回填时，整个实验沙箱均充满实验用回填沙；混合回填时，以发热棒为中心，布置截面大小为120 mm×120 mm的回填材料。Zha
| 材料 | 导热系数/ (W·(m·℃ | 密度/ (kg· | 比热容/ (J·(kg·℃ | 相变潜热/ (kJ·k | 相变温度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| 回填沙 | 0.8 | 1 640 | 1 200 | — | — |
| SSPCM | 2.2 | 700 | 2 300 | 200 | 22 |
| 运行模式 | 回填情况 | 运行方式 | 发热功率/W |
|---|---|---|---|
| A | 普通回填 | 运行3 h，停机9 h | 30 |
| B | 混合回填 | 运行3 h，停机9 h | |
| C | 混合回填 | 运行1 h，停机1 h | |
| D | 混合回填 | 运行1 h，停机2 h | |
| E | 混合回填 | 连续运行 |
图5 回填区域内部温度变化
Fig. 5 Temperature variations inside backfill area
经过9 h恢复后，普通回填情况下回填区域内测点平均温度为13 ℃，而混合回填情况下测点平均温度为12.2 ℃，分别为实验初场温度的127.5%和127.6%，可以看出，在启停时间比为1:3的实验运行工况下，混合回填和普通回填恢复情况并无差异。
从
图6 回填区域外部温度变化
Fig. 6 Excess temperature change outside backfill area
系统停止运行9 h后，普通回填情况下0.08 m、0.11 m和0.14 m 3处测点过余温度分别下降至2.43 ℃、2.33 ℃和2.14 ℃；混合回填情况下分别为2.29 ℃、1.98 ℃和1.58 ℃，最大温度差异分别达到35%。显示了利用SSPCM作为回填材料的情况下，能够有效降低地埋管对周围温度场的热影响。若在多埋管设计时，利用SSPCM，可以起到减小排管间距的优势。
图7 不同运行模式下r=0.03 m处测点温度变化
Fig. 7 Temperature variation of at r=0.03 m different operation modes
同时，也可以明显看出D模式下温升明显小于C模式，在15~25 h时表现较为明显。这是因为在此区间内，C运行模式下1 h的恢复时间已经无法使SSPCM恢复到相变温度以下的未熔化状态，SSPCM无法完全发挥出相变储能效果，大部分热量以显热的形式储存，D运行模式下，其启停比为1:2，相对与C模式，有较长的间歇期。因此，SSPCM有足够的恢复时间，从而保证定形相变材料性能的循环使用。所以，D模式下温升较小，可以发挥出强于C模式的换热效果。由D运行模式下测点温度变化可以推测，随着运行周期继续进行，2 h恢复时间也会使SSPCM温度无法恢复到相变温度以下，此时，SSPCM不能发挥储能效果。如需要SSPCM再次恢复相变储能效果，则需较长的恢复时间。在实际工程中，如办公、商业等建筑为典型的运行-间歇周期，有利于定形相变材料的性能恢复。在后期的研究中，需要通过建筑负荷特性、运行周期、相变材料性能（相变温度、比热容、混合比例、相变潜热）等因素进行综合分析。
文中通过建立地埋管换热器实验台，分别进行了普通回填下的实验和定形相变材料（SSPCM）混合回填下的间歇实验，得到了不同运行条件下，实验台温度场分布情况，根据实验结果可得到以下主要结论：
1）使用SSPCM混合普通回填沙进行回填，可明显改善地埋管换热器周围土壤热堆积情况，降低换热器周围回填材料温度波动。在文中实验模式下，相比普通回填，混合回填下距离发热中心0.01 m处测点低10 ℃左右，0.03 m处低6 ℃左右，0.05 m处低5 ℃左右，可较大程度提高地埋管换热温差。
2）在实验条件下，越远离发热中心距离，SSPCM混合回填缓和温度波动的效果越差。即SSPCM回填存在一个有效作用半径，在工程中需根据实际地埋管设计尺寸和运行模式来考虑回填材料的回填半径。
3）实验条件下连续运行到后期，SSPCM以显热的形式升温，已经无法发挥其性能优势。而间歇运行可以较好恢复SSPCM性能，使地埋管换热器较长时间保持大换热温差，保持地源热泵系统较高的运行效率。实际应用时，应考虑SSPCM恢复情况来设置停机时间长度，这对保持SSPCM回填下地源热泵高换热效率有关键作用。
4）在以间歇模式连续运行状况下，SSPCM回填区域仍然会有一定的热堆积，在恢复时间后回填区域温度仍高于SSPCM相变温度范围时，SSPCM回填就不能发挥出相变储能的效果，只能视为有较大导热系数和比热容的普通回填材料。在后期研究中，应综合考虑建筑负荷特性、运行周期、相变材料性能等多方面因素综合分析。
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