地源熱泵樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能比較

桂樹強(qiáng)，程曉輝，張志鵬

（1.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100086；2.南京豐盛新能源科技股份有限公司，南京 210012）

作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，面臨著環(huán)境污染、能源短缺和氣候變化等一系列的問題，其中能源短缺所造成的困擾尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前建筑運(yùn)行能耗約占全社會商品用能的1／3，而在建筑運(yùn)行能耗中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占60%左右，是節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域之一［1］。

地源熱泵作為建筑節(jié)能的一個(gè)有效途徑，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于建筑空調(diào)系統(tǒng)供冷供熱中。它以地下15～200m以內(nèi)的巖土層作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，夏季將室內(nèi)熱量通過熱泵機(jī)組排入地下巖土層中，冬季則將地下巖土層中的熱量通過熱泵機(jī)組送至室內(nèi)。地下?lián)Q熱器是整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。目前中國大多數(shù)工程均采用鉆孔埋管換熱器作為地下?lián)Q熱器。但由于其鉆孔成本較高、鉆孔占地面積較大，使地源熱泵的推廣普及受到了制約。20世紀(jì)80年代，奧地利和瑞士等國技術(shù)人員開始利用建筑物基礎(chǔ)作為地源熱泵的地下?lián)Q熱器。起初利用基礎(chǔ)底板，后來發(fā)展到利用樁基、地下連續(xù)墻甚至隧道結(jié)構(gòu)作為地下?lián)Q熱器。這些利用建筑結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行地下熱交換的結(jié)構(gòu)形式被統(tǒng)稱為地下熱工結(jié)構(gòu) （Thermo－active Ground Structures）［2］。與傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器相比，它利用了建筑物基礎(chǔ)中混凝土較好的熱傳導(dǎo)性能和建筑物基礎(chǔ)與地下巖土體的更大換熱面積，提高了地下?lián)Q熱器的換熱性能，節(jié)省了大量的鉆孔費(fèi)用和地下空間資源。該技術(shù)已在其他國家得到較廣泛的應(yīng)用［3－4］。近年中國也陸續(xù)開展了這方面的應(yīng)用和研究工作。地下熱工結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中主要存在結(jié)構(gòu)安全和傳熱規(guī)律兩方面的障礙［2，5］。從傳熱角度分析，學(xué)者們采用理論分析［6－7］和數(shù)值模擬［4］2種手段對地下熱工結(jié)構(gòu)展開研究，研究的地下熱工形式主要有雙U型、螺旋型樁基埋管換熱器，但由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，換熱理論尚不完善。

筆者擬主要從換熱性能的角度出發(fā)，在分析樁基與鉆孔埋管換熱器的換熱結(jié)構(gòu)和換熱機(jī)理差異的基礎(chǔ)上，通過實(shí)測和數(shù)值模擬2種手段對樁基和鉆孔埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行對比分析，旨在找出樁基換熱器的一般規(guī)律和優(yōu)越性。

1 樁基與鉆孔埋管換熱器結(jié)構(gòu)、換熱機(jī)理及經(jīng)濟(jì)性對比分析

1.1 換熱器結(jié)構(gòu)對比分析

一般樁基深度為25～60m，直徑600～1200mm，其直徑與長度之比約在0.01～0.048之間。目前中國常見的樁基埋管換熱器為雙U和3U型，其布置形式分別如圖1和圖2所示。樁基埋管換熱器的結(jié)構(gòu)取決于所利用樁基的深度、直徑等因素。若樁深大于50m，循環(huán)水在管內(nèi)的停留時(shí)間較長，循環(huán)水與周圍介質(zhì)換熱充分，一般采用并聯(lián)形式的換熱器，即在一個(gè)樁基內(nèi)埋設(shè)若干組U型管，每組U型管間以并聯(lián)方式連接。若樁深小于50m，循環(huán)水在管內(nèi)的停留時(shí)間較短，換熱不充分，為與地源熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫度匹配，需要保證一定的換熱器進(jìn)出口溫差，一般采用串聯(lián)形式的換熱器，即樁基內(nèi)U型管間的連接方式為串聯(lián)。

此外，樁基埋管換熱器的結(jié)構(gòu)與施工工藝也有關(guān)。目前主要的施工工藝有2種，一種是將地埋管綁扎在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，埋管隨鋼筋籠一起下至樁基鉆孔內(nèi)，通過導(dǎo)管注漿將樁基鉆孔用混凝土回填密封；另一種是先將鋼筋籠下至樁基孔內(nèi)，埋管隨混凝土注漿導(dǎo)管下至孔中，使用同樣的方法將樁基鉆孔回填密封。前者埋管綁扎在鋼筋籠上較為牢固，澆筑混凝土?xí)r對埋管的影響較小，施工成功率較高，但在埋管綁扎和下管時(shí)，需要樁基施工單位的配合，一定程度上延長了樁基埋管換熱器的施工時(shí)間；后者在澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的震動(dòng)可能會造成埋管變形或損壞。

圖1 雙U型灌注樁埋管換熱器示意圖

圖2 3U型灌注樁埋管換熱器示意圖

與樁基埋管換熱器不同，鉆孔埋管換熱器是在鉆孔中布置1組或2組U型管，并用水泥基回填材料將鉆孔回填密封。鉆孔埋管換熱器的鉆孔深度一般為50～120m，鉆孔直徑為120～150mm，其直徑與長度之比約在0.001～0.003之間。鉆孔埋管換熱器由于孔徑較小，一般為單U或雙U型，雙U型的連接方式分串聯(lián)和并聯(lián)2種，其連接方式與前述樁基埋管換熱器的原則相同。

1.2 換熱機(jī)理對比分析

樁基與鉆孔埋管換熱器有著相似的換熱機(jī)理［8］。圖3為埋管在水平截面的換熱示意圖。換熱器的換熱主要由管內(nèi)流體對流換熱、管內(nèi)流體與管壁對流換熱、管壁導(dǎo)熱、管外壁與回填材料接觸換熱、回填材料導(dǎo)熱、回填材料與巖土體接觸換熱、巖土體的導(dǎo)熱等7部分構(gòu)成。管外壁與回填材料的換熱、回填材料與巖土體的換熱主要由施工質(zhì)量所決定。在理論計(jì)算時(shí)一般認(rèn)為不同材料接觸界面的接觸良好，接觸熱阻為零。

圖3 樁基與鉆孔埋管在水平截面的換熱示意圖

由于鉆孔結(jié)構(gòu)的長、細(xì)特點(diǎn)，在鉆孔地埋管傳熱計(jì)算時(shí)通常以鉆孔壁為邊界將傳熱分為鉆孔外傳熱和鉆孔內(nèi)傳熱2部分。鉆孔外的傳熱可簡化為無限長或半無限長的線熱源，而對于鉆孔內(nèi)傳熱，由于鉆孔孔徑較小，一般假設(shè)鉆孔內(nèi)的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱［9－11］，即鉆孔內(nèi)沿深度的熱流密度相同，且溫度分布不隨時(shí)間變化。而對樁基而言，由于其與鉆孔在結(jié)構(gòu)尺寸上的巨大差異，樁基孔壁與周圍巖土體的傳熱不能簡單的簡化為線熱源傳熱，并且樁基內(nèi)的傳熱要經(jīng)過很長時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱，因而也不能將樁基內(nèi)的傳熱簡化為穩(wěn)態(tài)傳熱。

由以上分析可知，雖然鉆孔與樁基埋管換熱器具有相似的換熱機(jī)理，但是由于它們結(jié)構(gòu)尺寸上的差異，并不能直接利用已有的鉆孔地埋管傳熱模型來計(jì)算樁基埋管的傳熱。

1.3 經(jīng)濟(jì)性對比分析

鉆孔埋管的施工費(fèi)用包括成孔、下管和灌漿回填3個(gè)主要環(huán)節(jié)。成孔費(fèi)用與地質(zhì)條件有較大的關(guān)聯(lián)性。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國目前鉆孔埋管成孔費(fèi)用介于50～120元／m之間。對于特別復(fù)雜的地質(zhì)條件，例如巖溶區(qū)、含流砂的地層以及斷層破碎帶等地層，該部分費(fèi)用還可能更高。下管的費(fèi)用一般在10元／m以內(nèi)。灌漿回填的費(fèi)用一般在20～30元／m。而對于樁基埋管來說，成孔和灌漿回填這2部分費(fèi)用均不會產(chǎn)生，主要施工費(fèi)用發(fā)生在下管這個(gè)環(huán)節(jié)。樁基埋管下管時(shí)要將換熱管固定在鋼筋籠上，因而其工藝較鉆孔埋管要復(fù)雜的多，且涉及到與樁基施工單位相互配合時(shí)產(chǎn)生的管理成本，目前該部分的費(fèi)用一般為30～40元／m。綜上，不考慮換熱管材料費(fèi)的差異，沿深度方向每延米樁基埋管的施工費(fèi)用約為鉆孔埋管的20%～30%。可見樁基埋管在經(jīng)濟(jì)性上明顯優(yōu)于鉆孔埋管。

2 樁基換熱器換熱性能實(shí)測

以南京某采用灌注樁埋管換熱器的地源熱泵項(xiàng)目為研究對象進(jìn)行換熱性能實(shí)測。選取2根埋管形式相同、埋管深度相同的樁基埋管換熱器作為測試對象。樁基直徑為800mm，深度為30m?？紤]到對U型彎管處的保護(hù)，U型管的埋設(shè)深度為27m。2組U型管綁扎在樁基的鋼筋籠上，U型管隨鋼筋籠一起下入樁基鉆孔中。為減小2組U型管之間的換熱影響，2組U型管分別綁扎在鋼筋籠的兩側(cè)，2組U型管為串聯(lián)連接方式。

試驗(yàn)?zāi)康闹饕?個(gè)：其一為實(shí)測樁基埋管換熱器的換熱性能；其二為測試溫度變化時(shí)樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)特征，筆者主要討論第一個(gè)方面。測試設(shè)備原理如圖4所示，主要由樁基埋管換熱器、電加熱器、冰水水箱、循環(huán)水泵、溫度傳感器、流量傳感器和控制模塊等組成。僅使用電加熱時(shí)可測試樁基埋管換熱器放熱工況下的換熱性能；當(dāng)在冰水水箱中不斷加入冰塊且開啟電加熱裝置時(shí)，可測試樁基埋管換熱器吸熱工況下的換熱性能。通過水泵變頻器控制埋管中的水流量，并通過電加熱控制模塊控制所需要的加熱量，進(jìn)而控制進(jìn)口水溫。

圖4 熱響應(yīng)測試原理圖

試驗(yàn)時(shí)換熱器進(jìn)口溫度和流速的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。夏季換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度一般為35℃。但也有文獻(xiàn)指出，夏季可利用地埋管換熱器進(jìn)行蓄熱以供冬季使用，在蓄熱工況下，地埋管的進(jìn)水溫度可以達(dá)到60℃以上［12］。由于試驗(yàn)不僅要對灌注樁換熱器的換熱性能進(jìn)行研究，還要研究極限溫差條件下灌注樁樁身中的應(yīng)力調(diào)整，因此試驗(yàn)中樁基埋管換熱器放熱工況進(jìn)口溫度確定為60℃。吸熱試驗(yàn)時(shí)，與地埋管冬季設(shè)計(jì)最低進(jìn)口溫度相同，即為5℃。試驗(yàn)中換熱器內(nèi)循環(huán)水的流速參照“地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范”的要求，管內(nèi)流速控制在規(guī)定范圍內(nèi)［13］。

在對每個(gè)樁基埋管換熱器測試時(shí)，均采取了吸放熱2種工況，1＃基樁先進(jìn)行放熱測試，后進(jìn)行吸熱測試；2?；鶚断冗M(jìn)行吸熱測試，后進(jìn)行放熱測試。試驗(yàn)中吸放熱量的實(shí)測值和文獻(xiàn)［14－16］中上海世博軸樁基埋管換熱器的實(shí)測值對比如表1所示。對比試驗(yàn)1＃和2?；鶚兜膿Q熱量可知，樁基埋管的放熱量大于吸熱量，這主要是由于放熱時(shí)進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差大于吸熱時(shí)的溫差造成的。1?；鶚斗艧崃啃∮?＃基樁放熱量，而吸熱量卻相反。分析其原因，主要是由于時(shí)間條件限制，吸放熱2種測試工況的時(shí)間間隔只有十幾個(gè)小時(shí)，灌注樁周圍地溫及樁基內(nèi)部及周圍溫度未恢復(fù)到初始巖土體溫度。對比世博軸1＃和2?；鶚兜膿Q熱量可知，樁基埋管換熱器的換熱量與流量有關(guān)，流量越大，換熱量越大。

試驗(yàn)放熱工況進(jìn)口溫度為60℃，此時(shí)換熱量并不能代表本項(xiàng)目樁基埋管換熱器夏季運(yùn)行過程中的實(shí)際放熱量。與上海世博軸項(xiàng)目樁基的放熱量對比可知，試驗(yàn)樁基埋管放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上海世博軸樁基埋管換熱量，可見進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差越大，換熱量越大，樁基埋管換熱器可以利用的能量越多。

表1 本項(xiàng)目與世博軸項(xiàng)目樁基埋管換熱器換熱性能比較

3 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能數(shù)值模擬對比分析

3.1 樁基埋管換熱器換熱性能數(shù)值模擬

采用 CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）方法對樁基埋管換熱器開展非穩(wěn)態(tài)流 固耦合的數(shù)值模擬分析，并與第2章的實(shí)測結(jié)果對比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，為下一步采用數(shù)值模擬方法高效分析鉆孔和樁基埋管換熱器換熱性能奠定基礎(chǔ)。

由于實(shí)際樁基埋管的傳熱非常復(fù)雜，在模擬時(shí)需要采取必要的假設(shè)。具體假設(shè)包括［17］：1）樁基周圍巖土體熱物性均勻；2）忽略地下水流動(dòng)，認(rèn)為樁基與周圍巖土的傳熱過程為熱傳導(dǎo)；3）樁基內(nèi)鋼筋的熱物性與混凝土相同；4）樁基周圍巖土溫度均勻。模擬中換熱流體采用的模型為遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒以及湍流標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對樁基埋管換熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其水平界面和三維網(wǎng)格劃分分別如圖5和圖6所示。模擬中各材料的熱物性參數(shù)值如表2所示。

圖5 樁基埋管換熱器水平界面網(wǎng)格劃分示意圖

圖6 樁基埋管換熱器三維網(wǎng)格劃分示意圖

表2 材料熱物性參數(shù)值

對進(jìn)口溫度為278K（5℃）時(shí)樁基埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并與2＃樁吸熱時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。模擬中采用的流量與2＃樁吸熱時(shí)的流量相同，即0.6m3／h。圖7為數(shù)值模擬和試驗(yàn)中換熱器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化的對比，可以看出模擬得到的進(jìn)出口溫度曲線光滑，而試驗(yàn)得到的進(jìn)出口溫度曲線有一定的波動(dòng)，這主要是由于冰水水箱中不斷加入冰塊使換熱器進(jìn)口溫度波動(dòng)所致。通過對比可發(fā)現(xiàn)，模擬與試驗(yàn)的進(jìn)出口溫度變化趨勢相同，且模擬的溫度接近實(shí)測值，由此可說明該數(shù)值模擬方法的可靠性。換熱開始時(shí)，出口溫度較高，隨著加熱過程的進(jìn)行，管周圍混凝土和巖土體的溫度降低，出口溫度也隨之降低，換熱器出口溫度的變化趨勢減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 2＃樁吸熱時(shí)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化

根據(jù)進(jìn)出口溫差及流量換算出樁基單位深度換熱量隨時(shí)間的變化，如圖8所示。模擬值與試驗(yàn)值變化趨勢也相同，但模擬值比試驗(yàn)值大15%左右。這是由于試驗(yàn)采用恒溫水箱加冰快來實(shí)現(xiàn)恒定進(jìn)口溫度，在試驗(yàn)初期無法控制水箱內(nèi)的融冰量使溫度一直保持在5℃，因此在試驗(yàn)初期，進(jìn)出口溫度均高于278K（5℃）。模擬的時(shí)候，將模擬的進(jìn)口溫度設(shè)置為5℃，以便與后面較平穩(wěn)段的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比。

圖8 2＃樁吸熱時(shí)單位深度換熱量隨時(shí)間的變化

取樁基埋管換熱器吸熱時(shí)管內(nèi)溫度沿深度方向變化的模擬值進(jìn)行分析。選取運(yùn)行10h時(shí)刻沿深度方向的溫度分布圖，如圖9所示。可以看到：在每根PE管內(nèi)，流體溫度隨深度的變化接近線性，流體從周圍介質(zhì)吸熱，溫度沿流動(dòng)方向逐漸升高。

圖9 2＃樁吸熱時(shí)管內(nèi)流體溫度沿深度方向的變化

為獲得樁基埋管換熱器放熱工況下的換熱量，對進(jìn)口溫度為308K（35℃）、流量為0.6m3／h時(shí)樁基埋管換熱器的換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。換熱量隨時(shí)間的變化如圖10所示。由此可得到趨于穩(wěn)定時(shí)樁基埋管的換熱量約為119W／m。

圖10 2＃樁放熱時(shí)單位深度換熱量隨時(shí)間的變化

3.2 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能數(shù)值模擬對比分析

為了對比鉆孔與樁基埋管換熱器的換熱性能差異，建立實(shí)際尺寸的雙U型鉆孔埋管換熱器的模型，并在相同的巖土熱物性參數(shù)及巖土初始溫度下對其進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，同時(shí)結(jié)合前述方法對樁基也進(jìn)行了相同的模擬分析。

鉆孔換熱器尺寸及有關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 并聯(lián)雙U型鉆孔埋管換熱器尺寸

圖11和圖12分別為樁基和鉆孔埋管換熱器夏冬季分別運(yùn)行10h沿深度方向的中心截面溫度分布云圖?？梢钥闯觯瑯痘窆軗Q熱器2組U型管間距較遠(yuǎn)，運(yùn)行10h后2組U型管間的熱干擾還很??；而鉆孔埋管換熱器不同，由于2組U型管間距很近，2組U型管間熱干擾較為嚴(yán)重。

圖11 樁基與鉆孔埋管換熱器放熱時(shí)水平截面溫度分布云圖

表4為樁基與鉆孔埋管換熱器換熱量的模擬值對比表。模擬時(shí)為保證2種換熱器管內(nèi)流速相同，則鉆孔埋管換熱器流量為樁基埋管換熱器的2倍。對比可知，單位長度樁基埋管換熱器的換熱量遠(yuǎn)大于鉆孔埋管換熱器，說明樁基埋管換熱器具有更好的換熱性能。

圖12 樁基與鉆孔埋管換熱器吸熱時(shí)水平截面溫度分布云圖

表4 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能比較

4 結(jié)論及展望

1）鉆孔與樁基埋管換熱器換熱機(jī)理相似，但由于兩者結(jié)構(gòu)尺寸方面的差異，鉆孔埋管換熱器的傳熱模型不能直接用于分析樁基埋管換熱器。

2）在相同巖土體中，換熱器的換熱性能首先與換熱器類型有關(guān)，也與管內(nèi)流速以及進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差有關(guān)。一般而言，管內(nèi)流速越大，換熱性能越好；進(jìn)口溫度與巖土體初始溫度之差越大，換熱性能也越好。

3）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值有較好的吻合性，驗(yàn)證了所采用的數(shù)值模擬方法的可靠性，為使用數(shù)值模擬方法分析樁基埋管換熱器奠定了基礎(chǔ)，提高了研究效率，可為地源熱泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行提供技術(shù)支持。

4）采用數(shù)值模擬手段對鉆孔和樁基埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行了對比分析，結(jié)果證明樁基埋管換熱器的換熱性能明顯優(yōu)于鉆孔埋管換熱器。

試驗(yàn)對南京某項(xiàng)目樁基埋管換熱器同步進(jìn)行了熱響應(yīng)測試和結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試。筆者僅從樁基埋管換熱器換熱性能的視角展開了研究，關(guān)于結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試方面的研究成果將在后續(xù)工作中展開討論。

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