第35卷 第14期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.35 No.14 2019年 7月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2019 205 回填土質(zhì)材料對地下?lián)Q熱器凍脹特性的影響研究 王有鏜，鄭 斌，王春光，李成宇，毛明明，劉旭陽 （山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，淄博 255049） 摘 要：以地源熱泵技術(shù)在寒區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用為背景，開展地下?lián)Q熱器低溫凍脹特性研究。通過巖土埋管凍脹試驗(yàn)，基于凍結(jié)半徑追蹤和管體應(yīng)變測量，開展凍結(jié)區(qū)發(fā)展規(guī)律以及埋管變形收縮特性的研究，對比砂土基和黏土基回填料對凍脹的影響，并進(jìn)一步考察換熱管容積與流阻變化。結(jié)果表明，凍結(jié)區(qū)在進(jìn)出水2管中心連線方向發(fā)展速度大于其垂直方向，受凍脹影響，U型換熱管產(chǎn)生橢圓化變形與收縮，砂土基回填比黏土基回填具有更大的凍結(jié)范圍，但前者換熱管變形和收縮程度卻小于后者。換熱管在100 h內(nèi)持續(xù)由0降至10 后，測得管容積減小率為0.4%，流阻增大率為6.5%，由此可知，埋管凍脹的變形與收縮成為循環(huán)流量減小和系統(tǒng)效率下降的原因之一。 關(guān)鍵詞：熱泵；傳熱；凍脹；地下?lián)Q熱器；回填料；埋管變形 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.026 中圖分類號(hào)：S215; TK521 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2019)-14-0205-07 王有鏜，鄭 斌，王春光，李成宇，毛明明，劉旭陽. 回填土質(zhì)材料對地下?lián)Q熱器凍脹特性的影響研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(14)：205211. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.026 http:/www.tcsae.org Wang Youtang, Zheng Bin, Wang Chunguang, Li Chengyu, Mao Mingming, Liu Xuyang. Effects of backfill materials on frost heave characteristic of ground heat exchangerJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 205211. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.026 http:/www.tcsae.org 0 引 言 近年來，地源熱泵技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用1，其中以日光溫室的應(yīng)用最為典型2-3。然而為了達(dá)到良好的采光效果，溫室的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用單層玻璃或塑料膜，因此在光照條件不佳時(shí)，地下?lián)Q熱器的運(yùn)行溫度受大氣溫度影響較大。對于中國廣大的北方嚴(yán)寒地區(qū)而言，地下?lián)Q熱器（埋管）運(yùn)行溫度常持續(xù)低于0 ，由此致使換熱巖土發(fā)生凍脹，凍脹作用不但會(huì)擠壓埋管發(fā)生變形，而且也影響到系統(tǒng)運(yùn)行效率及安全性4-8。 對于凍脹巖土擠壓管道的研究，成果主要體現(xiàn)在油氣運(yùn)輸和管渠輸水等工程領(lǐng)域中。理論研究方面，學(xué)者們主要應(yīng)用管-土模型計(jì)算管土作用9-11、預(yù)測管位移12-13、分析管變形應(yīng)力和應(yīng)變14-16。在試驗(yàn)研究方面，研究者已針對埋管凍脹變形，開展了許多大規(guī)模的工程測試，諸如加拿大Calgary凍脹試驗(yàn)17、法國Caen全尺寸管線凍脹測試12,18、美國Fairbanks高速路管線凍脹試驗(yàn)19-20以及美國UAF凍脹隆起管線測試21-22。此外，學(xué)者們也在農(nóng)業(yè)設(shè)施的抗凍設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一系列的理論探索23-25與驗(yàn)證26-27。近年來，盡管有學(xué)者對與地下?lián)Q熱器相似的垂直埋管28和管道溫變影響29進(jìn)行了管土凍脹研究，但由于應(yīng)用背景不同，對地?zé)釤岜霉こ倘匀狈︶槍π?。目前針對寒區(qū)地下?lián)Q熱器運(yùn)行中易出現(xiàn)的凍脹問題開始收稿日期：2018-02-24 修訂日期：2019-06-28 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51806130）；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2017LEE031）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019GHY112076） 作者簡介：王有鏜，講師，博士，主要從事淺層地能利用研究。Email：wytsdut.edu.cn 得到關(guān)注，最初由加拿大工程師Lenarduzzi等7結(jié)合工程實(shí)際指出該問題的研究意義，此后中國學(xué)者鄭平等30提出了考慮凍脹的土壤源熱泵水熱力耦合數(shù)值模型，筆者通過建立巖土凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)探討了換熱管形態(tài)對其凍脹變形的影響31，同時(shí)基于孔隙增長率函數(shù)建立了地下?lián)Q熱器的凍脹變形模型32。 本文基于前述研究基礎(chǔ)，針對工程中常用的砂土基與黏土基回填料，試驗(yàn)研究豎埋U型管周圍土壤（以下簡稱圍土）凍脹以及管截面變形特性；對比2種回填料的影響；考察管變形給循環(huán)系統(tǒng)帶來的影響，為指導(dǎo)工程應(yīng)用提供參考。 1 試驗(yàn)裝置及方法 1.1 試驗(yàn)系統(tǒng) 本試驗(yàn)?zāi)M地下豎埋U型換熱器在飽和巖土環(huán)境中的低溫運(yùn)行過程，U型埋管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)低溫液體，土壤由此發(fā)生凍脹而使換熱管受力變形。通過追蹤土體內(nèi)0 凍結(jié)鋒面發(fā)展，研究凍結(jié)區(qū)發(fā)展特性，利用應(yīng)變測試手段研究換熱管截面變形特性。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括巖土槽、圍土、U型換熱管和冷源循環(huán)系統(tǒng)等，如圖1所示。 1.2 試驗(yàn)及測試裝置 圓柱形巖土槽的高為900 mm，內(nèi)徑為800 mm，槽身下部開4個(gè)補(bǔ)水口，控制槽內(nèi)濕巖土水位，槽內(nèi)底部鋪墊一層150 mm厚礫石，以利于補(bǔ)水均勻滲入，礫石上部添置試驗(yàn)圍土（包含地層土壤和回填料），為更好體現(xiàn)凍脹特性，試驗(yàn)采用均勻的飽和圍土。用PE板制作環(huán)套，使巖土槽外圍形成環(huán)腔空間，為槽內(nèi)巖土提供4 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 206 恒定的邊界溫度，槽蓋和槽底做絕熱處理。U型換熱管豎向埋置于巖土槽中央，壁厚3.5 mm，外徑32 mm，U型間距為80 mm。循環(huán)液采用30%乙二醇溶液，由其將熱量從巖土槽運(yùn)送至冷源。 1.地層土壤 2.U型管 3.砂土基回填 4.黏土基回填 5.礫石層 6.排液管 7.巖土槽 8.補(bǔ)水口 9.溫控單元 10.循環(huán)泵 11.流量計(jì) 12.冷源 13.水箱 14.球閥 15.軟連接 16.壓差計(jì) 17.槽蓋 18.接線出口 19.環(huán)套 1.Ground soil 2.U-pipe 3.Sand-based backfill 4.Clay-based backfill 5.Gravel 6.Bleeder pipe 7.Soil tank 8.Water supply 9.Temperature control unit 10.Pump 11.Flowmeter 12.Cold source 13.Water tank 14.Ball valve 15.Flexible connection 16.Differential pressure gauge 17.Tank cover 18.Wiring channel 19.Annular sleeve a. 結(jié)構(gòu)示意圖 a. Structure diagram b. 試驗(yàn)布置 b. Experimental setup 圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖 Fig.1 Experimental system 在U型管進(jìn)出口布置熱電偶測試循環(huán)液溫度，在換熱管埋深200 mm（砂土基回填層）處和600 mm（黏土基回填層）處的水平面上分別布置熱電偶，以測試圍土溫度，如圖2所示。以進(jìn)、出水2管中心連線為X方向，與其垂直方向?yàn)閅方向，2管的中間位置為原點(diǎn)O，建立X-Y直角坐標(biāo)系，在X和Y方向上各對稱布置10個(gè)測點(diǎn)，相鄰測點(diǎn)間距為40 mm。電阻應(yīng)變片測試換熱管外壁周向應(yīng)變，利用應(yīng)變變化判斷管截面的變形，測試位置1、 1和2、2分別在換熱管埋深180 mm（砂土基回填層）處和580 mm（黏土基回填層）處的進(jìn)、出水管上，每處在X和Y方向?qū)ΨQ布置、和 4個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。U型壓差計(jì)接U型管同一水平高度的進(jìn)口與出口，測量其間壓差變化。主要試驗(yàn)測試儀器型號(hào)及規(guī)格見表1。 注：1、1和2、2為應(yīng)變測試位置，、和為應(yīng)變測點(diǎn)，上角標(biāo)和上角標(biāo)分別表示進(jìn)水管和出水管。 Note: 1, 1, 2 and 2 represent the strain test positions, , , and represent the strain test points, superscript and superscript represent the inlet pipe and the outlet pipe, respectively. 圖2 應(yīng)變和溫度測試 Fig.2 Strain and temperature test 表1 儀器型號(hào)及規(guī)格 Table 1 Types and specifications of instruments 儀器Instrument 型號(hào)規(guī)格Type and specification 溫度記錄儀 Temperature recorder 橫河 DX1012 YOKOGAWA DX1012 熱電偶Thermocouple 歐米伽T型 OMEGA T-type 應(yīng)變采集儀 Strain collector 無線靜態(tài)型DH3819 Wireless static type DH3819 應(yīng)變片 Strain gage 康銅箔電阻型 BE120-3AA Constantan foil resistance type BE120-3AA 壓差計(jì) Differential pressure gauge 測量范圍0500 mm Measurement range 0-500 mm 溫控儀Temperature controller Yudian AI-518P 1.3 試驗(yàn)方法 地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范中已經(jīng)指出：細(xì)砂和膨潤土的混合漿或?qū)Ｓ霉酀{材料宜作為回填材料，以實(shí)現(xiàn)保水防滲功能；然而，由于成本或施工便利等原因，工程中也存在回收使用鉆孔屑黏土基回填料的情況，因此，本文選擇以上2種回填料進(jìn)行分析。地層土壤與黏土基回填料選用天然細(xì)粒黏土，砂土基回填料選用細(xì)砂和膨潤土混合物（質(zhì)量比為7:3），其基本特性參數(shù)見表2，模擬回填孔直徑為150 mm。試驗(yàn)過程中，對圍土分層作填充-夯實(shí)-填充處理，回填料的填充以回填高度的一半為界（埋深375 mm處），下半部為黏土基回填，上半部為砂土基回填，如圖2所示。最后，通過補(bǔ)水口使土體達(dá)到飽和狀態(tài)。 表2 回填料基本參數(shù) Table 2 Basic parameters of backfills 不同粒徑的組成Composition of grain size/% 填料類型 Types of backfill 0.005 mm (0.005 mm, 0.075 mm (0.075 mm, 0.25 mm (0.25 mm, 0.5 mm) 孔隙率Porosity 含水率 Moisture content/% 密度 Density/(kgm-3) 砂土基回填料 Sand-based backfill 4 9 51 36 0.32 17 2117 黏土基回填料 Clay-based backfill 31 42 18 9 0.33 18 2124 第14期 王有鏜等：回填土質(zhì)材料對地下?lián)Q熱器凍脹特性的影響研究 207 試驗(yàn)主要基于變形的應(yīng)變測量，分析變形的基本形態(tài)。初始截面為圓形的換熱管（此時(shí)應(yīng)變=0）受到擠壓后，如果其截面為橢圓化變形，則橢圓化向外凸出的管壁曲率變大時(shí)，該處外壁面將承受拉應(yīng)力，即表現(xiàn)為拉應(yīng)變（0）；橢圓化向內(nèi)收縮的管壁曲率變小時(shí)，該處外壁面將承受壓應(yīng)力，即表現(xiàn)為壓應(yīng)變（0），如圖3所示。 圖3 變形與應(yīng)變 Fig.3 Deformation and strain 試驗(yàn)過程中，直接測量參數(shù)的不確定度可由公式（1）確定 5022221 .dnddd uuuu （1） 式中ud為參數(shù)的不確定度，ud1, ud2, , udn為相互獨(dú)立的不確定因素。 本試驗(yàn)中，溫度測量的不確定度為2.02%，應(yīng)變測量的不確定度為4.08%，液柱差測量的不確定度為4.54%。 2 結(jié)果及分析 2.1 凍結(jié)區(qū)發(fā)展分析 使系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行100 h，換熱管內(nèi)流體溫度由0 逐漸降低至10 ，如圖4所示。由于U型換熱管的長度僅為0.9 m，運(yùn)行過程中其進(jìn)、出口的溫度差異不大（不超過0.5 ），進(jìn)、出水2管及其軸向溫度可視為均勻一致。 圖4 換熱管進(jìn)出口溫度 Fig.4 Inlet and outlet temperature of pipe 以O(shè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，定義凍結(jié)鋒面的0 點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離為凍結(jié)半徑，如圖5a所示，以衡量凍結(jié)區(qū)范圍。圍土內(nèi)X和Y方向的凍結(jié)半徑發(fā)展如圖5b所示，可見凍結(jié)半徑在不同回填層內(nèi)發(fā)展規(guī)律一致。以黏土基回填層為例，X和Y方向的凍結(jié)半徑發(fā)展至56 mm所用時(shí)間分別為11和36 h，二者相差25 h，此后2方向凍結(jié)半徑發(fā)展至96和136 mm位置的時(shí)間差分別為16和13 h，可見凍結(jié)區(qū)在X方向的發(fā)展速度始終大于Y方向，同時(shí)隨著凍結(jié)范圍的擴(kuò)大，2方向的發(fā)展差異逐漸減小。顯然，不對稱的凍結(jié)區(qū)發(fā)展特性源于換熱管的布置方式，進(jìn)、出水2管位于X方向上，凍結(jié)范圍較小時(shí)，凍結(jié)區(qū)形態(tài)受到管結(jié)構(gòu)的影響較大，隨著凍結(jié)區(qū)邊緣（凍結(jié)鋒面）距離換熱管越遠(yuǎn)，其形態(tài)受管結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱。 試驗(yàn)過程中，砂土基回填層的凍結(jié)半徑發(fā)展平均速度（X向：1.64 mm/h；Y向：1.43 mm/h）要略快于黏土基回填層（X向：1.58 mm/h；Y向：1.37 mm/h）。事實(shí)上，除了砂土導(dǎo)熱性能良好之外，在初始含水率相差不大的情況下，由于砂土基回填料內(nèi)膨潤土中親水礦物的作用，使得回填料會(huì)吸收地層土壤中的水，這種水分遷移作用，可使正在凍結(jié)的區(qū)域冰晶含量不斷增大33，冰的導(dǎo)熱系數(shù)大于水和土顆粒。因此冰晶較多的砂土基回填層具有更大的凍結(jié)范圍。 a. 凍結(jié)區(qū) a. Freezing area b. 凍結(jié)半徑對比 b. Comparison of freezing radius 圖5 凍結(jié)區(qū)發(fā)展特性 Fig.5 Development characteristic of freezing area 2.2 管截面變形分析 取各應(yīng)變測試位置處每25 h的應(yīng)變變化，如圖6所示。 圖6 管體應(yīng)變變化 Fig.6 Variations in pipe strains 由圖6可以發(fā)現(xiàn)，各處測點(diǎn)均為負(fù)應(yīng)變（壓應(yīng)變），且應(yīng)變值不斷增大，然而各測點(diǎn)變化規(guī)律卻有所差異，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 208 和測點(diǎn)應(yīng)變值普遍大于和測點(diǎn)。事實(shí)上，所測管體應(yīng)變?nèi)Q于2個(gè)因素：溫度和變形，管壁不斷的降溫收縮使得壓應(yīng)變值不斷增大，而變形使管壁附加了額外的拉壓應(yīng)力。由應(yīng)變測試結(jié)果及前述變形與應(yīng)變關(guān)系可知，相當(dāng)于和測點(diǎn)附加了壓應(yīng)變，和測點(diǎn)附加了拉應(yīng)變，管段發(fā)生了橢圓化變形，且橢圓長軸在Y向。 凍結(jié)區(qū)的不均勻發(fā)展導(dǎo)致了凍脹力的不均勻產(chǎn)生，由管截面的變形可知，來自X向的凍脹力大于Y向，這也與所測凍結(jié)區(qū)發(fā)展特性相一致。同時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，和測點(diǎn)壓應(yīng)變與和測點(diǎn)壓應(yīng)變的差距也在不斷增大，表明管截面橢圓化變形程度不斷加重。 對比可知，1和1在各個(gè)測試時(shí)間的變形都要小于2和2位置，處于砂土基回填層的管段，其橢圓化變形程度要小于黏土基回填層的管段。這表明相同條件下，黏土基回填層凍結(jié)所產(chǎn)生的凍脹力要比砂土基回填層的大。由于進(jìn)出水2管溫差不大，2管周圍凍結(jié)區(qū)的發(fā)展較相似，因此相同埋深位置處，進(jìn)出水2管段的變形程度差別不大。 2.3 管截面收縮分析 由各測試位置的管體應(yīng)變（圖6）可以看出，管截面在不斷橢圓化的同時(shí)，也在不斷收縮。管體平均應(yīng)變（m）反映了截面周長的變化率，進(jìn)而可反映管截面脹縮程度。試驗(yàn)中采用4個(gè)測點(diǎn)應(yīng)變的平均值近似表示測試位置處的管體平均應(yīng)變（m），如圖7a所示?？梢娫谇?0 h內(nèi)，4處測試位置的m基本維持在相同的水平，而大約運(yùn)行至30 h時(shí)，2和2位置的m開始大于1和1位置，且差距逐漸增大，最終前者的m值達(dá)到2 50010-6左右，后者僅為1 90010-6左右。表明當(dāng)凍結(jié)發(fā)展至一定程度時(shí)，黏土基回填層內(nèi)的管截面收縮程度要比砂土基回填層內(nèi)的大。 事實(shí)上，在低溫運(yùn)行環(huán)境下，管截面的收縮取決于溫降和凍脹擠壓作用的大小。溫降引起的截面收縮應(yīng)變T可由公式（2）求得。 0)T it t （ （2） 式中為HDPE管熱脹系數(shù)，取值13010-6-134；0t 和it 分別為初始溫度和第i時(shí)刻溫度，。 因此，試驗(yàn)中各測試位置的m與T之差可體現(xiàn)凍脹擠壓作用對管體應(yīng)變的影響，如圖7b所示?？梢娫谇?0 h內(nèi)，4 處測試位置的凍脹應(yīng)變值不斷增大且增幅水平相當(dāng)，從30 h至100 h，1和1處凍脹應(yīng)變值由40010-6僅下降至50010-6左右，而在2和2處凍脹應(yīng)變值卻降至1 00010-6以下。表明當(dāng)凍結(jié)區(qū)發(fā)展超過一定范圍，黏土基回填對換熱管的凍脹作用將大于砂土基回填，且差距逐漸增大。砂土基回填料中的膨潤土存在遇水膨脹軟化特性，從而使其強(qiáng)度降低35，凍脹力對換熱管的作用相對減弱，因此在砂土中適量添加膨潤土，可減輕凍脹產(chǎn)生的換熱管變形與收縮程度。對于寒區(qū)地源熱泵工程，從地下?lián)Q熱器安全運(yùn)行角度而言，按照規(guī)范使用砂土基回填料顯得尤為必要。 a. 管體平均應(yīng)變m a. Mean strains in pipe surface m b. 凍脹作用應(yīng)變m-T b. Frost heave strains m-T 圖7 管體收縮應(yīng)變 Fig.7 Contraction strains in pipe surface 2.4 管容積與流阻分析 在運(yùn)行溫度不斷降低和凍脹作用力不斷加大的情況下，換熱管降溫收縮和橢圓化變形會(huì)使截面面積減小，從而導(dǎo)致管容積減小。對于內(nèi)徑為25 mm的換熱管，結(jié)合4個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)的平均值m，可求得凍脹變形后管體容積V，再根據(jù)初始管容積V0，可得容積變化量=V0V，如圖8所示?？梢婋S著運(yùn)行時(shí)間的增加，管容積呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，運(yùn)行最終，換熱管有約3.3 mL的容積減少量，與計(jì)算管段（管長750 mm）的初始容積V0=736 mL相比，減少了0.4%。 圖8 換熱管容積減少量 Fig.8 Volume decrease of heat exchange pipe 換熱管的變形與收縮同樣也會(huì)增大系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，系統(tǒng)流阻的變化可通過U型壓差計(jì)的液柱差來反映。凍脹試驗(yàn)過程中的液柱差變化如圖9所示，可見液柱差不斷增大，且增幅隨運(yùn)行時(shí)間有增加的趨勢，這與不斷增大的管體變形程度有關(guān)。在100 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，液柱差由137 mm增至146 mm，表明U型換熱管的流阻有6.5%的增加量。 事實(shí)上，換熱管由于凍脹變形造成的容積減小以及第14期 王有鏜等：回填土質(zhì)材料對地下?lián)Q熱器凍脹特性的影響研究 209 流阻增大問題，在文獻(xiàn)6和7中所闡述的工程問題中已有提及，由此所帶來的諸如循環(huán)液溢流、系統(tǒng)流量減小以及COP（性能系數(shù)，coefficient of performance）下降等問題不容忽視，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)加以考慮。 圖9 液柱差增幅 Fig.9 Increase in liquid column difference 3 結(jié)論與討論 本試驗(yàn)基于U型埋管地下?lián)Q熱器的持續(xù)降溫運(yùn)行過程，針對不同回填土質(zhì)材料（砂土基和黏土基），開展圍土凍結(jié)區(qū)發(fā)展以及埋管變形特性等基礎(chǔ)研究，得出如下結(jié)論： 1）受U型結(jié)構(gòu)影響，圍土凍結(jié)區(qū)域不均勻發(fā)展，凍結(jié)區(qū)在進(jìn)出水2管中心連線方向發(fā)展速度大于其垂直方向，該差距隨凍結(jié)范圍增大而減小，砂土基回填可較黏土基回填具有更大的凍結(jié)范圍。 2）換熱管截面產(chǎn)生橢圓化變形和收縮，橢圓短軸在2管中心連線方向，隨著凍結(jié)區(qū)發(fā)展，變形與收縮程度不斷加重，黏土基回填料中由凍脹產(chǎn)生的換熱管變形與收縮程度更為嚴(yán)重，對于寒區(qū)地源熱泵工程，使用添加膨潤土的砂土基回填料顯得尤為必要。 3）巖土凍脹所致的換熱管截面變形及收縮，會(huì)引發(fā)管容積減小以及流阻增大問題，運(yùn)行100 h、溫降10 的試驗(yàn)條件下測得管容積減小率為0.4%，流阻增大率為6.5%，該問題應(yīng)在工程設(shè)計(jì)中加以考慮。 事實(shí)上，凍脹特性主要取決于土壤、含水率和溫度。工程中回填土質(zhì)呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)，土壤粒徑和結(jié)構(gòu)不盡相同，即使對于相同材質(zhì)的回填料，土體強(qiáng)度也會(huì)由于回填深度不同而產(chǎn)生差異；孔隙含水率的變化可致使回填料熱學(xué)和力學(xué)特性產(chǎn)生差異，同樣，凍融變化也會(huì)對孔隙結(jié)構(gòu)及含水率產(chǎn)生影響；此外，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響地下?lián)Q熱器的低溫運(yùn)行模式。因此，上述因素均會(huì)影響地下?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)凍變特性，進(jìn)而作用于管土換熱效率，限于篇幅，擬在后續(xù)對相關(guān)問題進(jìn)行深入探討。 參 考 文 獻(xiàn) 1 方慧，楊其長，王柟，等. 淺層地?zé)嵩垂?jié)能技術(shù)及其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(10)：286290. Fang Hui, Yang Qichang, Wang Nan, et al. Geothermal technology and its applications in protected agricultureJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of CSAE), 2008, 24(10): 286290. (in Chinese with English abstract) 2 孫維拓，張義，楊其長，等. 溫室主動(dòng)蓄放熱-熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)熱力學(xué)分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(14)：179188. Sun Weituo, Zhang Yi, Yang Qichang, et al. Thermodynamic analysis of active heat storage-release associated with heat pump heating system in greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 179188. (in Chinese with English abstract) 3 石惠嫻，任亦可，孟祥真，等. 植物工廠水蓄能型地下水源熱泵供熱系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行特性研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：157163. Shi Huixian, Ren Yike, Meng Xiangzhen, et al. Research on energy-saving operating characteristics of water storage groundwater source heat pump heating system in plant factoryJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 157163. (in Chinese with English abstract) 4 李南生，謝利輝，陳薛浩. 寒區(qū)淺埋輸油管線凍脹安全性分析J. 結(jié)構(gòu)工程師，2008，24(1)：3540. Li Nansheng, Xie Lihui, Chen Xuehao. Frozen-heaving of frost-soil bed of shallow-buried oil-pipeline in cold regionJ. Structural Engineers, 2008, 24(1): 3540. (in Chinese with English abstract) 5 胡宗柳，吳明，陳楊，等. 輸油管道凍脹安全性研究現(xiàn)狀與趨勢J. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(12)：881883. Hu Zongliu, Wu Ming, Chen Yang, et al. Progress in the safety study of frost heaving of oil pipelineJ. Oil and Gas Storage and Transportation, 2011, 30(12): 881883. (in Chinese with English abstract) 6 Gabrielsson A, Lehtmets M, Moritz L, et al. Heat storage in soft clay field tests with heating (70) and freezing of the soilR. Sweden: Swedish Geotechnical Institute, 1997. 7 Lenarduzzi Frank J, Cragg Chris B H, Radhakrishna H S. Importance of grouting to enhance the performance of earth energy systemsJ. ASHRAE Transactions, 2000, 106: 424434. 8 Tafreshi S N M, Khalaj O. Laboratory tests of small-diameter HDPE pipes buried in reinforced sand under repeated-loadJ. Geotextiles and Geomembranes, 2008, 26: 145163. 9 Selvadurai A P S, Hu J, Konuk I. Computational modelling of frost heave induced soil-pipeline interaction I. Modelling of frost heaveJ. Cold Regions Science and Technology, 1999, 29(3): 215228. 10 Selvadurai A P S, Hu J, Konuk I. Computational modelling of frost heave induced soil-pipeline interaction II. Modelling of experiments at the Caen test facilityJ. Cold Regions Science and Technology, 1999, 29(3): 229257. 11 Michalowski R L, Zhu M. Frost heave modelling using porosity rate functionJ. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2006, 30(8): 703722. 12 White T L. Pipelines in Permafrost and Freezing Ground, Engineering Resource Library and Database IndexesM. Canada: Permafrost Environmental Consulting Inc, 2006. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 210 13 Susan A T, Ian D, Moore, Muge Balkaya. Parametric study of frost-induced bending moments in buried cast iron water pipesJ. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, 51: 291300. 14 Wu Yaping, Sheng Yu, Wang Yong. Stresses and deformations in a buried oil pipeline subject to differential frost heave in permafrost regionsJ. Cold Regions Science and Technology, 2010, 64(3): 256261. 15 Wang Jiabin, Niu Ditao, He Hui. Frost durability and stressstrain relationship of lining shotcrete in cold environmentJ. Construction and Building Materials, 2019, 198(2): 5869. 16 Razaqpur A G, Wang D. Frost-induced deformations and stresses in pipelinesJ. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 1996, 69(2): 105118. 17 Carlson L E, Nixon, J F. Subsoil investigation of ice lensing at the Calgary, Canada, frost heave facilityJ. Canadian Geotechnical Journal, 1988, 25(2): 307319. 18 Williams P J, Riseborough D W, Smith M W. France-Canada joint study of deformation of an experimental pipe line by differential frost heaveJ. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 1993, 3(1): 5660. 19 Nixon J F. The role of convective heat transport in the thawing of frozen soilsJ. Canadian Geotechnical Journal, 1975, 12(3): 425429. 20 Nixon J F. Discrete ice lens theory for frost heave in soilsJ. Canadian Geotechnical Journal, 1991, 28(6): 843859. 21 Huang S L, Bray M T, Akagawa S, et al. Field investigation of soil heave by a large diameter chilled gas pipeline experiment, Fairbanks, AlaskaJ. Journal of Cold Regions Engineering, 2004, 18(1): 234. 22 Kim K, Zhou W, Huang S L. Frost heave predictions of buried chilled gas pipelines with the effect of permafrostJ. Cold Regions Science and Technology, 2008, 53(3): 382396. 23 謝崇寶，白靜，吳志琴，等. 季節(jié)性凍土區(qū)灌溉管道排空防凍模式設(shè)計(jì)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(21)：8288. Xie Chongbao, Bai Jing, Wu Zhiqin, et al. Design of irrigation pipeline emptying anti-freezing mode in seasonal frozen soil regionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 8288. (in Chinese with English abstract) 24 唐少容，王紅雨，潘 鑫，等. U 形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹性能離心模型試驗(yàn)研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(1)：157163. Tang Shaorong, Wang Hongyu, Pan Xin, et al. Frost heave performance of U-shaped canal concrete lining based on centrifuge model testJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 157163. (in Chinese with English abstract) 25 白靜，謝崇寶，吳志琴. 季節(jié)性凍土區(qū)管道淺埋換填防凍模式研究J. 水利學(xué)報(bào)，2018，49(5)：588597. Bai Jing, Xie Chongbao, Wu Zhiqin. Research on anti-freezing pattern of shallow buried pipe by replacement filling of pipe trench in seasonal frozen areaJ. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(5): 588597. (in Chinese with English abstract) 26 戴佳琦. 寒區(qū)村鎮(zhèn)飲用水輸配管道的