雙U型樁基埋管換熱性能模擬與研究

【摘 要】地源熱泵由于其高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，近年來(lái)日益受到人們的重視。傳統(tǒng)地源熱泵的直埋管換熱器占地面積較大，這就使得城市中大型建筑使用地源熱泵具有一定的局限性。如果能夠在樁基中埋設(shè)PE管，利用樁基和土壤較大的接觸面積和帶有鋼筋籠的混凝土樁導(dǎo)熱系數(shù)比一般巖土高的優(yōu)勢(shì)，地源熱泵的應(yīng)用前景將會(huì)更廣。

【關(guān)鍵詞】雙U型樁基埋管；換熱性能；取熱量；放熱量

0.引言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在直埋管的布置及傳熱機(jī)理（鉆孔埋管）、回填材料對(duì)換熱性能的影響等，對(duì)樁基埋管的研究非常少。所謂樁基型土壤源熱泵，就是將傳統(tǒng)的土壤源熱泵與建筑用的地埋樁基相結(jié)合，在打地基之前，將土壤源熱泵的地埋管鋪設(shè)在打樁用的鋼筋籠中，并隨鋼筋籠一并埋入地中，最后澆筑水泥。本文研究主要內(nèi)容包括：

1.樁基型地源熱泵

對(duì)于地源熱泵來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的是換熱能力。在樁基中由于水泥的傳熱系數(shù)很大，而且在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)將熱量傳導(dǎo)出去。所以可以近似地把地埋管和水泥看做一個(gè)整體，并且水泥的溫度近似與地埋管中水溫一致，從而相當(dāng)于把傳統(tǒng)的直埋型地埋管換熱半徑擴(kuò)大。這樣子看來(lái)，樁基埋管的換熱面積大大增加，換熱能力應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直埋型熱泵。

1.1土壤源熱泵工作特點(diǎn)

土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過(guò)深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖；夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源，通過(guò)高效熱泵機(jī)組向建筑物供熱或供冷。初投資偏高，機(jī)房面積較小，節(jié)省常規(guī)系統(tǒng)冷卻塔可觀的耗水量，運(yùn)行費(fèi)用低。

1.2土壤源熱泵的應(yīng)用條件

總結(jié)了近幾年的工程實(shí)例和參考文獻(xiàn)得出共有4個(gè)條件。①同時(shí)具有夏冬空調(diào)負(fù)荷，并且年冷熱負(fù)荷較接近時(shí)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行更有利；②當(dāng)?shù)叵峦寥罍囟仍?3-19℃時(shí)，土壤換熱器的效果最為顯著，而我國(guó)大部分的夏熱冬冷地區(qū)最為合適；③當(dāng)?shù)?00M之內(nèi)不存在堅(jiān)硬地層，而存在保水性好的砂土層對(duì)土壤源熱泵實(shí)施起來(lái)更有利；④具備合適的土壤換熱器布置面積。

1.3土壤源熱泵特點(diǎn)

1.3.1輔助動(dòng)力少

評(píng)價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)性能參數(shù)之一是輔助動(dòng)力，它是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。為了保證充分的熱交換和地下管道的水力平衡，地下埋管系統(tǒng)嚴(yán)格控制臨界速度，因?yàn)樗鞒鲇趯恿鳡顟B(tài)，傳熱會(huì)惡化，甚至由于水流速度慢，會(huì)出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象，氣塞會(huì)造成水利不平衡。而在紊流狀態(tài)下增加流速不會(huì)對(duì)傳熱帶來(lái)多大的改善，因?yàn)榇藭r(shí)熱阻主要有管道熱阻造成，水的熱阻相對(duì)來(lái)說(shuō)很小，此時(shí)增加流速只會(huì)增加泵的容量。

1.3.2運(yùn)行管理方便，運(yùn)行狀況好

土壤源熱泵另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的維護(hù)要求不高。首先這種系統(tǒng)減少了室外許多運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，不需要冷卻塔，鍋爐這種長(zhǎng)期維護(hù)設(shè)備。另外對(duì)于熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)為了解決結(jié)霜問(wèn)題，人們不得不采用電加熱等方式間接的位設(shè)備除霜融霜后的設(shè)備突然啟動(dòng)就更危險(xiǎn)。而熱泵系統(tǒng)與大地接觸，與大地?fù)Q熱保證了不會(huì)結(jié)霜。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)部件少則系統(tǒng)噪音小。

2.模擬過(guò)程

2.1模型的建立以網(wǎng)格劃分

GAMBIT以繪圖方式輸入模型的幾何形狀，本模型包括的幾何體有圓柱樁、雙U型管內(nèi)的水、U形管（兩個(gè)并聯(lián)）和土壤。樁的直徑為1M，土壤平均初始溫度18℃。而對(duì)于管內(nèi)水流速度，雖然流速越大，紊流越強(qiáng)，造成的換熱量增大，但對(duì)于循環(huán)泵的壓力也越大，綜合考慮雙U型樁基埋管的水流速度為0.6m/s。其余是模型建立時(shí)的一些數(shù)據(jù)如下：PE管入口湍流強(qiáng)度為0.05，水力直徑0.02m，PE管出口為單向流出口，土壤垂直及上部邊界層假定絕熱，土壤底部邊界層18℃，土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.300（w/m·k），密度1847（kg/m），比熱（1200j/kg）；鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.628（w/m·k），密度2500（kg/m），比熱837（1200j/kg），PE管導(dǎo)熱系數(shù)0.420（w/m·k），密度1100（kg/m），比熱1465（1200j/kg），網(wǎng)格劃分原則是：計(jì)算區(qū)域三維網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格單元。從管內(nèi)流體、鋼筋混凝土樁基、土壤由密到疏的三級(jí)模式。管內(nèi)流動(dòng)加載了必要的邊半徑包括研究的土壤半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于井深，因此屬于細(xì)長(zhǎng)形的幾何體。在劃分網(wǎng)格時(shí)，考慮到溫度在井深方向上變化很小，而在徑向卻變化很大，所以沿井深方向上的網(wǎng)格劃分較稀疏。在U形管下部的彎管處，由于流場(chǎng)變化劇烈，且曲度較大，所以要加密對(duì)網(wǎng)格的劃分，避免網(wǎng)格有較大的傾斜角。

2.2模擬結(jié)果

表1 夏季單位井深放熱量隨進(jìn)水溫度的變化

可以看出，換熱量隨進(jìn)口水溫增加線性增加。如果提高地源熱泵在夏季運(yùn)行中U形管進(jìn)口水溫將有利于U形管與土壤傳熱。使用較高的進(jìn)口水溫，將會(huì)大大加強(qiáng)U形管與周圍土壤的換熱。這主要是由于進(jìn)口水溫較高時(shí)水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強(qiáng)所致?？梢酝葡耄诙具\(yùn)行工況下，如果U形管的進(jìn)口水溫降低，也會(huì)使水與土壤的溫差加大，必然也能增加單位管長(zhǎng)的換熱量。但埋管進(jìn)口水溫越高，（在夏季）熱泵機(jī)組的效率也越 低。因此，應(yīng)綜合考慮選擇適宜的水溫。綜合考慮夏季雙U型埋管進(jìn)水溫度36℃較適宜。

表2 冬季單位井深取熱量隨進(jìn)水溫度的變化

表3 鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)雙U型埋管換熱性能的影響

表2展現(xiàn)出冬季管內(nèi)進(jìn)水溫度變化時(shí)，埋管放熱量的值。和夏季的原理一樣，綜合考慮冬季雙U型埋管進(jìn)水溫度6℃較適宜。需要補(bǔ)充的是，水流速度也影響換熱性能。流速越大，湍流越強(qiáng)，換熱強(qiáng)度就越大。但水流速大于0.6m/s后，換熱量的增加并不是很明顯，在這種情況下一味的增加水流速度增加了循環(huán)泵的負(fù)擔(dān)，COP值降低，效率也不高。所以綜合考慮選0.6m/s合適。

分別取導(dǎo)熱系數(shù)1.0w/（m·℃）到2.0w/（m·℃）的各種鋼筋混凝土在冬季工況下運(yùn)行模擬，結(jié)果表明：樁基埋管換熱量隨其導(dǎo)熱系數(shù)增加而增加，所以在實(shí)際工程中盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的鋼筋混凝土以提高換熱量。

4.結(jié)論

（1）雙U型樁基埋管夏季管內(nèi)供水溫度36℃較為合適。

（2）雙U型樁基埋管冬季管內(nèi)進(jìn)水溫度6℃較為合適。

（3）鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.6～1.8w/（m·℃）較為合適。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾建龍.性能可調(diào)節(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)研究.清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

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