《Energy》：Research on the thermal performance of horizontal ground heat exchanger with an insulation layer
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•近地表保温层可以减弱地表热扰动。•开发了一种三维瞬态模型，并通过与缩小比例的地源热泵（HGHE）实验进行了验证。•保温层使冷却和加热的热交换率分别提高了31.5%和26.7%。•在保持相同性能的前提下，保温层使所需的埋设深度减少了38.5%。引言中国设定了在2030年前达到二氧
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近地表保温层可以减弱地表热扰动。
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开发了一种三维瞬态模型，并通过与缩小比例的地源热泵（HGHE）实验进行了验证。
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保温层使冷却和加热的热交换率分别提高了31.5%和26.7%。
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在保持相同性能的前提下，保温层使所需的埋设深度减少了38.5%。
引言
中国设定了在2030年前达到二氧化碳排放峰值并在2060年前实现碳中和的目标，这需要从化石燃料转向低碳能源[1]、[2]。在建筑领域，地源热泵（GSHP）系统通过利用浅层地热能为空间提供供暖和制冷服务，从而支持这一转型，且污染相对较低[3]、[4]、[5]、[6]。其性能在很大程度上取决于地热交换器（GHE）的类型，GHE可以垂直或水平布置[7]、[8]、[9]、[10]。垂直布置的GHE需要深度钻孔，而水平布置的HGHE（HGHE）则可以安装在浅沟中，因此施工更简单，初始成本更低。然而，这种优势是以较浅的埋设深度为代价的——通常为1-2米，这使得管道区域与地表气象条件紧密相关[11]。地表的热波动会向下传播，减小循环流体与周围土壤之间的温差，从而削弱热传递的动力。这种不利影响在夏季炎热、冬季寒冷的地区尤为明显，因为这些地区的地表热扰动较大，会影响夏季的冷却和冬季的供暖。
为了解决这一问题，大多数研究致力于通过优化GHE的配置[12]、材料[14]和布局[16]、[17]来提高其热传递能力。线性布置简单且成本低廉，而螺旋或蜿蜒布置可以在有限的空间内提供更大的热传递面积[18]、[19]、[20]。其他研究还优化了间距[21]，使用了高导热性的工质[22]，或增加了散热片[23]。这些措施增加了有效热传递面积，减少了热阻，或增强了管道内的对流热传递。然而，它们通常需要更多的管道、更广泛的挖掘工作、更复杂的安装过程，或更昂贵的材料。从本质上讲，对GHE本身的改进并不能直接改变由地表热扰动造成的不利土壤温度分布。因此，HGHE的性能仍然受到埋设管道周围热环境的影响。
另一种策略是直接调节这种热环境。地表温度受太阳辐射、长波辐射和对流的瞬态平衡控制，而这种热扰动在向下传播时会逐渐减弱[24]、[25]。因此，增加HGHE的埋设深度可以稳定管道区域的热条件，从而提高热传递效率[26]、[27]。例如，Gan[28]报告称，当埋设深度从1米增加到2米时，性能提升了19%。然而，埋设深度越深，热效益下降得越快。将沟槽深度从2.5米加深到3米会使挖掘成本增加约20%，但最大冷却负荷仅增加9%[29]。此外，还可以通过修改地表本身来调节土壤热环境。地表边界条件、遮阳措施以及大气与土壤之间的相互作用都会影响HGHE的性能[30]、[31]、[32]。实地测量和数值模拟表明，玄武岩碎石、沙子、草和树皮屑可以改变土壤的水分含量和温度状况[33]。实验室对透水铺面的测试进一步表明，铺面材料和基层材料决定了铺面是隔离地面还是促进水平地热管道的热量散逸[34]。
保温层也被用来限制浅层热交换器中的外部热干扰。例如，Lee等人[35]在能量板上添加了保温层，以减少环境空气温度对嵌入混凝土中的热交换管道的影响。然而，在夏季散热、冬季吸热的HGHE系统中，额外的热阻会产生相反的效果：它可以减弱冷却过程中热量从高温表面向下的传递，但在加热过程中会减少热量从低温土壤向高温表面的流失。一旦操作改变了管道周围的土壤温度，同样的热阻可能会阻碍冷却过程中的热量散失或限制加热过程中的热量补充。因此，净热效益取决于隔离管道区域与保持与周围土壤的热交换之间的平衡，这个平衡可能随着运行时间、地表热条件以及保温层和交换器的埋设深度的不同而变化。要解决这种平衡问题，需要一个能够捕捉大气-土壤-交换器系统耦合响应的瞬态模型。Zhou等人[36]指出，仅规定地表温度而不对表面能量平衡进行建模，会低估流体的温度和系统的性能系数。由于浅层土壤温度还取决于地表覆盖物和特定地点的土壤特性[37]、[38]，长期、多条件下的模拟需要一个能够考虑太阳辐射、长波辐射和对流的表面边界条件[39]、[40]。这些模型随后需要通过实际测量进行验证。实地测试虽然提供了真实的观察结果，但成本高且耗时较长[41]、[42]，而室内实验则提供了可控制、可重复的边界条件[43]，缩小比例的测试可以减少试验装置的规模和测试时间[44]。
基于上述文献综述，当前的研究空白可以总结如下：首先，之前的保温研究主要报道了保温层的屏蔽效果。据我们所知，尚未量化处于 cooling 和 heating 模式下的 HGHE 中屏蔽效果与热量重新分配受限之间的竞争关系。其次，净热效益如何依赖于地表热条件以及保温层和交换器的埋设深度尚不清楚。第三，保温层的热效益尚未以它可以替代的埋设深度来表示，尽管埋设深度是稳定管道区域的主要手段，同时也决定了挖掘的深度。
为了解决这些研究空白，本研究在杭州评估了一种位于线性HGHE上方的近地表聚氨酯保温层的效果，使用了一个三维瞬态模型，并通过与有无该保温层的相似性削减比例实验进行了验证。本研究有三个贡献：(1) 它量化了保温层在 cooling 和 heating 条件下随运行时间变化的净热效益，并将其变化与表面屏蔽和热量重新分配受限之间的竞争关系联系起来；(2) 它确定了这种热效益如何依赖于地表热条件以及保温层和HGHE的埋设深度；(3) 它引入了热等效埋设深度的概念，即未保温的HGHE达到与保温HGHE相同的冷却和加热性能所需的埋设深度，从而表达了保温层的效益。
章节片段
物理模型
图1展示了本研究中研究的HGHE配置。它包括埋设在土壤中的聚乙烯管道和放置在地面与管道之间的水平聚氨酯保温层。在参考配置中，HGHE和保温层的埋设深度分别为2米和0.1米。保温层覆盖了整个管道的占地面积，并在四周延伸了0.5米，从而限制了边缘的热量旁路。
结果与讨论
年度模拟涵盖了从2月1日到次年1月31日的一个完整周期，包括冷却、加热和非运行转换期。HGHE在2月至6月期间处于关闭状态，然后在7月（杭州代表性气象年度中最热的一个月）进行冷却模拟。HGHE每天运行时间为8:00至20:00，进水温度为33°C，进水流速为0.4 m/s。之后从8月1日开始再次关闭...
结论
本研究结合了基于相似性的缩小比例实验和经过验证的三维瞬态模型，评估了杭州线性HGHE上方近地表聚氨酯保温层的效果。在所研究的条件下，主要结论如下：
- (1)
保温层减弱了地表温度波动向下传播到土壤中的程度。在7月1日开始冷却时，保温层下方的土壤在0.5米深度处的温度低了4.8°C...
作者贡献声明
刘庆功：撰写——初稿。刘超：撰写——审核与编辑，概念构思。杜航宁：实验研究。邱文斌：数据整理。唐旭阳：数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响到本文所报道工作的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响到本文所报道工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（资助编号：52508420）、浙江省自然科学基金（资助编号：LQN26E080017）、浙江科技大学科研基金（资助编号：24052160-Y）以及中央政府引导的地方科技发展计划（资助编号：2025ZY01085、2026ZY01017）的支持。
刘庆功|唐旭阳|邱文斌|杜航宁|刘超
