严寒气候区土壤初始温度较低,且冬季供热时所需热负荷大,地源热泵系统地埋管周围的土壤会发生结冰现象,土壤冻结后会释放相变潜热,因此严寒气候区的地埋管换热器设计时,应考虑土壤冻结对传热性能的影响。本课题基于相变传热过程分析,建立地埋管周围土壤冻结的非稳态传热数学模型,并搭建沙箱实验平台,研究地埋管周围土壤冻结的传热性能。首先,基于理论模型分析,进行沙箱实验模拟地埋管的冻结传热过程,实验研究含水率和管内流体温度对地埋管周围土壤冻结性能的影响。实验结果显示:随着含水率的增加或管内流体温度降低,土壤冻结区厚度增加,冻结区土壤温度降低,传热速率加快,而且管内流体温度降低对土壤冻结的影响更大。管内流体温度从-2℃降低到-10℃,降低400%,冻结边界层由3.7mm增加到21.4mm,增加了475.81%;冻结区土壤温度由-0.7℃降低到-6.4℃,降低了814.29%;传热到边界所需时间由10810s减小到8560s,减小20.81%。而土壤含水率从5%增加到25%,同样增加400%,冻结边界层从11.1mm增加到16.9mm,只增加了52.16%;冻结区土壤温度由-2.7℃降低到-3.9℃,降低42.99%;传热到边界所需时间由11090s减小到8790s,减小20.74%。利用所建立的数学模型,输入实验工况条件进行模拟计算,将计算结果与实验测量结果对比分析,验证数学模型的准确性。结果表明:模拟值与实验值的最大误差为8.87%,满足工程计算精度要求,说明本文建立的数学模型准确可靠。利用所验证的数学模型进行模拟计算,研究土壤的物性参数(初始温度导热系数和体积热容)对地埋管周围土壤冻结传热性能的影响。模拟结果表明:初始温度和体积热容对地埋管周围土壤冻结传热的影响趋势相同,随着初始温度或体积热容的增加,冻结区厚度减小,土壤温度升高。而土壤导热系数对土壤冻结的影响趋势相反,随着导热系数的增加,冻结区扩大,土壤温度降低。地埋管周围土壤传热存在冻结现象时,土壤的物性参数发生变化,冻结释放潜热,因此应该采用冻结传热模型进行模拟计算。假如采用未冻结传热模型计算时,会带来误差。本文在相同条件下,分别利用冻结传热模型和未冻结传热模型进行模拟计算,分析两者的计算误差。模拟结果表明:在冻结时间为8000s、土壤含水率为20%的条件下,采用未冻结传热模型在计算土壤温度场、热阻、热扩散率和传热时间时,造成误差分别为1.54%、7.14%、36.56%和1.92%,对热扩散率求解的误差最大。因此,地埋管与周围土壤的传热过程存在冻结现象时,应该采用冻结传热模型计算。本文的相关结论可为严寒气候区地源热泵系统地埋管换热器的设计提供理论依据。