陳 智，海 迪，張國(guó)剛，肖衡林，王 博

1）湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068；2）中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北武漢430064

地源熱泵是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的可再生能源利用技術(shù)，通過(guò)熱泵機(jī)組將蘊(yùn)藏于地下土壤、地表水及地下水等可再生資源中難以直接利用的低品位熱能提取出來(lái)，達(dá)到供暖或制冷的目的，有效地節(jié)約了礦物燃料和土地等資源，對(duì)解決環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題具有重要意義.然而，目前傳統(tǒng)的鉆孔埋管換熱器技術(shù)存在施工費(fèi)用較高及占地面積較大等缺點(diǎn)，因此有學(xué)者提出將傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器的換熱管埋設(shè)在建筑樁基內(nèi)部，形成新型熱工地下的結(jié)構(gòu)能源樁［1-2］，即樁內(nèi)埋管型能源樁.該結(jié)構(gòu)具有不占用額外的地下空間、鉆孔環(huán)節(jié)少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且換熱性能好［3］.深層埋管型能源樁是一種傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器與樁內(nèi)埋管型能源樁相結(jié)合的新型地埋管換熱器［4］，采用換熱井內(nèi)埋管的形式，在樁身中心設(shè)置換熱井并延伸至地表以下100 m，換熱管上部為混凝土包裹，下部為巖土體包裹.這種新型能源樁技術(shù)既能充分利用樁內(nèi)埋管的優(yōu)勢(shì)，又進(jìn)一步提取樁基底部的深層地?zé)崮?，提高換熱器的換熱總量［5］.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)能源樁的換熱性能開展了研究.孔綱強(qiáng)等［6］對(duì)黏性土地基中摩擦型能量樁開展了現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在3.0 kW恒定輸熱功率條件下，平均每延米瞬態(tài)熱交換值穩(wěn)定在30.5 W·m-1左右.崔宏志等［7］用室內(nèi)大尺寸相變能源樁模型進(jìn)行循環(huán)溫度荷載作用下的試驗(yàn)觀測(cè)及分析，發(fā)現(xiàn)能源樁持續(xù)運(yùn)行下產(chǎn)生的溫度變化會(huì)給樁周土體帶來(lái)一定的溫度累積.程曉輝等［8］總結(jié)了飽和黏土溫度-應(yīng)力耦合的體積變化規(guī)律，評(píng)述了現(xiàn)有巖土熱力耦合本構(gòu)模型存在的問(wèn)題.FLEUR等［9］提出了新的樁溫響應(yīng)功能，反映換熱器的典型幾何形狀，包括樁基混凝土的瞬態(tài)響應(yīng).LIU等［10-11］研究了單U型、雙U型、三U型、W型和螺旋型等樁內(nèi)埋管方式對(duì)換熱量的影響型能源樁主要有.目前關(guān)于傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器及樁內(nèi)埋管型能源樁的研究較多［12］，主要集中于換熱器的傳熱效率、傳熱機(jī)制及熱力響應(yīng)［13］方面，不同換熱器之間換熱特性的對(duì)比研究仍較少.本研究針對(duì)不同地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照實(shí)際使用工況開展現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn)，結(jié)合仿真模擬對(duì)比分析3種換熱器的換熱特性，為地埋管換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化及推廣應(yīng)用提供思路.

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)基地位于湖北工業(yè)大學(xué)校內(nèi)，試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)有2根能源樁及5個(gè)傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器［14］，其中能源樁分為樁內(nèi)埋管型和深層埋管型兩種，3種地埋管換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 地埋管換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The main structural parameters of the buried pipe heat exchangers

傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器采用小型鉆機(jī)鉆設(shè)100 m深的鉆孔，換熱管埋設(shè)于鉆孔中心.樁內(nèi)埋管型能源樁采用灌注樁澆筑成型，換熱管綁扎于鋼筋籠上.深層埋管型能源樁在灌注樁成型的基礎(chǔ)上，于樁基中心向下鉆設(shè)100 m深的鉆孔，換熱管埋設(shè)于鉆孔中心，結(jié)構(gòu)布置如圖1.三種地埋管換熱器的換熱管集中連接于集分水器，深層埋管型能源樁和傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器均采用雙U并聯(lián)循環(huán)換熱，樁內(nèi)埋管型能源樁采用五U并聯(lián)循環(huán)換熱，通過(guò)集分水器上的閥門開關(guān)控制各換熱器的連接方式，如圖2.場(chǎng)地主要由軟塑的粉質(zhì)黏土層、軟塑的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、可塑的黏土層及可塑的粉質(zhì)黏土層組成.

圖1 地埋管換熱器結(jié)構(gòu)大樣圖Fig.1 Large-scale diagram of the buried pipe heat exchanger structure

圖2 換熱管集分水器Fig.2 Heat exchange tube water collector

1.2 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)選取基地1#、2#和3#地埋管換熱器，采用HGNY-03巖土熱響應(yīng)儀測(cè)試儀.電加熱器以3.5 kW恒定功率對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，循環(huán)水以流量為1 m3/h（流速為0.52 m/s）在地埋管換熱器中循環(huán)流動(dòng)，溫度降低流回測(cè)試儀經(jīng)加熱再次流入換熱器中進(jìn)行熱交換.現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試過(guò)程中，先后持續(xù)加熱1#、2#和3#換熱器48 h，不同地埋管換熱器測(cè)試間隔一周時(shí)間，待地溫恢復(fù)后再進(jìn)行下組測(cè)試.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

地埋管換熱器的總換熱量由換熱管進(jìn)、出口溫差決定，每延米換熱量與總換熱量和換熱管的長(zhǎng)度相關(guān).依據(jù)熱響應(yīng)儀測(cè)得的換熱器進(jìn)、出口水溫及流量，采用式（1）和（2）計(jì)算換熱器的總換熱量Q及每延米換熱量q：

其中，ρ為循環(huán)水密度，取值1 000 kg/m3；V為循環(huán)水流量；cp為恒定壓力下循環(huán)水的比熱容，取值4.2×103J/（kg·℃）；tin和tout為循環(huán)水進(jìn)、出口溫度；L為換熱管有效長(zhǎng)度.

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

圖3給出3種不同地埋管換熱器進(jìn)、出口水溫及流量曲線，表2給出其溫升指標(biāo).3種換熱器在恒定流量的加熱過(guò)程中，進(jìn)、出口水溫度逐步升高，且漸趨穩(wěn)定.

表2 溫升指標(biāo)Table 2 Temperature rise index

圖3 地埋管換熱器進(jìn)、出口水溫及流量曲線Fig.3 The inlet and outlet water temperatures and flow curve of the buried pipe heat exchanger

在進(jìn)水口溫度達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程中，溫升速率越大，換熱器散熱效果越弱.可以看出，試驗(yàn)前期12 h內(nèi)，1#和2#的溫升幅度較大，3#的溫升幅度較小，原因在于混凝土的高導(dǎo)熱性導(dǎo)致樁基內(nèi)部在換熱初期產(chǎn)生熱堆積，溫度高于同深度的巖土體，引發(fā)熱干擾效應(yīng)，3#周圍為巖土體包裹，溫升較慢.由于試驗(yàn)前期循環(huán)水溫度不高，熱干擾效應(yīng)對(duì)換熱器散熱效果的影響較為明顯，導(dǎo)致1#和2#在試驗(yàn)初期溫升快，但隨著循環(huán)水溫度升高，熱干擾效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響逐漸減小.加熱24 h后3#的溫升幅度超過(guò)1#，但是低于2#，這是因?yàn)?#受樁基長(zhǎng)度限制，埋置深度較小，換熱管循環(huán)回路較短，受環(huán)境因素影響較大，因此樁基及循環(huán)流體的溫升偏快.

由上述分析可知，混凝土的高導(dǎo)熱性在不同的試驗(yàn)時(shí)期起著不同的作用.試驗(yàn)初期，混凝土的升溫速度及傳熱效率均大于巖土體，因此1#和2#進(jìn)水管中的循環(huán)水升溫較快.另一方面，正因?yàn)榛炷翜囟容^高，整個(gè)樁基的熱量堆積導(dǎo)致1#和2#出水管中的循環(huán)水受到干擾，影響熱量的散發(fā)，3#則不受此影響.試驗(yàn)中期，循環(huán)水的溫度逐漸接近樁基混凝土的溫度，1#和2#出水管中的循環(huán)水受到的干擾逐漸減小.隨著試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，混凝土的熱干擾不再顯現(xiàn)，其高導(dǎo)熱性使得1#和2#的散熱能力得到提升，而3#周圍是巖土體，其散熱能力隨著試驗(yàn)的推進(jìn)凸顯劣勢(shì).

對(duì)比1#和3#溫升增幅情況可以看出，1#樁基的散熱效果比3#提高約23.70%.2#的散熱效果優(yōu)于3#，但弱于1#.可見(jiàn)，深井與樁基的結(jié)合使得換熱器能更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

3 數(shù)值模擬

3.1 基本假定

本研究考慮能源樁傳熱特點(diǎn)，對(duì)仿真計(jì)算作以下假定：①忽略地下水滲流對(duì)埋管換熱器的影響，將樁基與土壤視為固體，不考慮樁基與土壤間的接觸熱阻，視為純導(dǎo)熱；②換熱器周圍及深層巖土體溫度均勻；③換熱循環(huán)流體、換熱管、樁基混凝土和土壤材料均為均質(zhì)各向同性，熱物性參數(shù)不隨溫度和時(shí)間的變化而變化.

3.2 有限元模型

根據(jù)試驗(yàn)基地地埋管換熱器尺寸，建立3種比例均為1∶1的地埋管換熱器有限元模型.依據(jù)試驗(yàn)基地測(cè)溫點(diǎn)既往的實(shí)測(cè)情況來(lái)看，1#和3#的傳熱半徑相近，2#的傳熱半徑比較大.綜合考慮模型網(wǎng)格數(shù)量、換熱器傳熱半徑和換熱器實(shí)際尺寸等因素，以換熱器的軸心為中心，1#和3#模型巖土層的水平外邊界取為徑向4 m，深度為110 m，2#模型分別取為8 m和24 m，換熱管外徑25 mm，土體及換熱器材料熱物性如表3.由于換熱管管壁較薄，為方便建模，管壁不單獨(dú)設(shè)置實(shí)體.換熱器模型包括循環(huán)流體、樁和樁周土體3個(gè)部分.換熱過(guò)程可以簡(jiǎn)化為2個(gè)部分，分別為循環(huán)水與樁基傳熱、樁基與和樁周土體的傳熱.換熱器網(wǎng)格劃分如圖3.

表3 換熱器材料熱物性參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of heat exchanger materials

圖4 地埋管換熱器網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of buried pipe heat exchanger

3.3 模擬結(jié)果分析

圖5給出了相同工況下3種地埋管換熱器運(yùn)行48 h后，換熱管沿深度的溫度分布情況.表4給出其溫度指標(biāo)，其中進(jìn)水口與底部的溫差稱為進(jìn)管溫差，出水口與底部的溫差稱為出管溫差.

表4 溫度指標(biāo)Table 4 Temperature index

圖5 換熱管沿深度變化的溫度分布Fig.5 The temperature distribution of the heat exchange tube along the depth

從進(jìn)管溫差來(lái)看，1#比2#高0.07℃，即深井的設(shè)置使得進(jìn)水管段溫差提高，1#比3#高0.33℃，即樁基的設(shè)置使得進(jìn)水管段溫差提高.為了分析樁基和深井對(duì)換熱效果的影響，將1#和3#進(jìn)水管段劃分為樁基段和深井段，1#和3#樁基段溫差分別為1.00℃和0.65℃，深井段溫差分別為1.61℃和1.63℃.可以看出，1#換熱效果的提升主要表現(xiàn)在樁基段.

從出管溫差來(lái)看，1#比2#高0.22℃，這是因?yàn)?#回路短，熱堆積較快，對(duì)循環(huán)水換熱造成較大的影響，而1#回路長(zhǎng)，熱堆積較慢，不利影響較小.1#比3#高0.08℃，其中，1#和3#樁基段溫差分別為0.25℃和0.13℃，深井段溫差分別為0.83℃和0.87℃.可以看出，樁基依舊是提高換熱量的主要因素.

比較1#和2#可見(jiàn)，深井的合理設(shè)置不僅可以降低樁基熱堆積引起的熱干擾，還可以彌補(bǔ)換熱管間距較小對(duì)換熱量產(chǎn)生的不利影響.比較1#和3#可見(jiàn)，樁基的設(shè)置可較大地提高換熱器的整體換熱量.

3種換熱器在出水管段均出現(xiàn)不同程度的溫度回升情況，重合度較高，一定程度上促使出水管段的溫差低于進(jìn)水管段，這可能是以下因素所致：①循環(huán)水在出水管段溫度較低，與周圍環(huán)境的溫差較小，導(dǎo)致?lián)Q熱效果低于進(jìn)水管段；②受樁基部分熱干擾效應(yīng)影響，出水管內(nèi)循環(huán)水溫度降幅較小；③鉆孔埋管間距小，換熱管間存在熱干擾，進(jìn)水管段的溫度影響出水管段，降低出水管部分的換熱效果.

圖6給出換熱器10 m深處的溫度云圖.沿深度方向，按間距10 m（2#間距2 m）提取1組橫向截面溫度變化曲線，如圖7.由圖6可見(jiàn)，1#和3#換熱管間的熱干擾較為嚴(yán)重，2#換熱管間的熱干擾較小.由圖7可見(jiàn)，同為鉆孔埋管，1#和3#的溫度場(chǎng)較為相似，整體呈現(xiàn)中間高、周圍低的輪廓，2#換熱器溫度較高，整體呈現(xiàn)中心低、周圍高、兩側(cè)低的輪廓.樁心距為0處，1#、2#和3#最高溫度節(jié)點(diǎn)處為29.30、28.14和29.04℃，相同樁心距處2#平均溫度比3#高1.29℃，3#平均溫度比1#高0.44℃.

圖6 換熱器10 m深處的溫度云圖Fig.6 Temperature cloud map at 10m of the heat exchanger

圖7（b）中2#樁基中心的溫度較為平穩(wěn)，這是因?yàn)?#換熱管間距較大，換熱管間的熱干擾程度小，1#和3#樁基中心則出現(xiàn)溫度峰值.結(jié)合圖5溫度分布曲線分析，影響1#和3#出水管段換熱效果的因素主要是埋管間距較小，換熱管間的熱干擾抑制了循環(huán)水的換熱效果.影響2#出水管段換熱效果的因素主要是樁基熱堆積較為嚴(yán)重，導(dǎo)致循環(huán)水在出水管段的溫度與樁基之間的溫差較小.

圖7 換熱器整體溫度隨樁心距變化分布Fig.7 The overall temperature of the heat exchanger with the distance between pile centers

4 換熱對(duì)比

圖8和圖9給出3種換熱器試驗(yàn)進(jìn)出口溫差及每延米換熱量對(duì)比情況.可以看出，試驗(yàn)測(cè)試期間，1#的平均溫差為3.39℃，2#的平均溫差為3.20℃，3#的平均溫差為3.01℃，1#與3#的進(jìn)、出口溫差波動(dòng)范圍較小，2#由于換熱管埋置淺，溫差波動(dòng)較大.1#和3#的每延米換熱量分別為40.09 W/m和35.29 W/m，而2#由于樁內(nèi)換熱管數(shù)量多且混凝土導(dǎo)熱性良好，其每延米換熱量75.52 W/m.圖10給出3種換熱器試驗(yàn)與模擬的各項(xiàng)換熱對(duì)比.由圖10可知，3#未設(shè)置導(dǎo)熱性高的混凝土樁基，單樁換熱量最低.1#和3#深度相同，對(duì)比可知樁基的設(shè)置使得換熱器的單樁換熱量提升13.6%，1#和2#樁長(zhǎng)相同，對(duì)比可知深井的設(shè)置使得換熱器的單樁換熱量提升6.17%，2#和3#對(duì)比可知，樁內(nèi)埋管式能源樁的單樁換熱量相比傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器提升了6.99%.

圖8 試驗(yàn)進(jìn)、出口溫差對(duì)比Fig.8 Comparison of test inlet and outlet temperature difference

圖9 試驗(yàn)每延米換熱量對(duì)比Fig.9 Comparison of heat exchange per linear meter of test

圖10 試驗(yàn)與模擬的換熱對(duì)比Fig.10 Heat transfer comparison between experiment and simulation

依據(jù)不同地埋管換熱器的換熱效率及換熱量，相比另外兩種改進(jìn)型換熱器，3#均處劣勢(shì)，2#作為現(xiàn)行使用最廣的換熱器，在有著較高換熱量提升的同時(shí)，還擁有較高的換熱效率，但其樁基熱堆積較為嚴(yán)重，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行下的換熱效果影響較大.1#作為2#的改進(jìn)型換熱器，換熱量有著不俗的提高，同時(shí)具備2#和3#的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為能源樁的應(yīng)用和推廣提供新的技術(shù)思路.

5結(jié) 論

1）對(duì)比3種地埋管換熱器的換熱量，相同深度下，深層埋管型能源樁單樁換熱量及換熱效率均高于傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器，相同樁長(zhǎng)下，深層埋管型能源樁單樁換熱量高于樁內(nèi)埋管型能源樁.

2）樁基的高導(dǎo)熱性可顯著提高換熱器的換熱效果，其熱堆積引發(fā)的熱干擾效應(yīng)則影響換熱器的換熱效果.深井的合理設(shè)置不僅可以降低樁基熱堆積引起的熱干擾，還可以彌補(bǔ)換熱管間距較小對(duì)換熱量產(chǎn)生的不利影響，深層埋管型能源樁的井-樁段換熱比為1.95.

3）換熱管間的熱干擾制約著深層埋管型能源樁及傳統(tǒng)鉆孔埋管換熱器出水管段的換熱效果，若在換熱器施工工藝上加以改進(jìn)，克服換熱管間的熱干擾效應(yīng)，將顯著提高換熱器整體的換熱效果.

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