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、節能、環保的特點，近年來日益受到人們的重視。傳統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熱系數比一般巖土高的優勢，地源熱泵的應用前景將會更廣。

【關鍵詞】雙U型樁基埋管；換熱性能；取熱量；放熱量

0.引言

長期以來，國內外對土壤源熱泵系統的研究主要集中在直埋管的布置及傳熱機理（鉆孔埋管）、回填材料對換熱性能的影響等，對樁基埋管的研究非常少。所謂樁基型土壤源熱泵，就是將傳統的土壤源熱泵與建筑用的地埋樁基相結合，在打地基之前，將土壤源熱泵的地埋管鋪設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。本文研究主要內容包括：

1.樁基型地源熱泵

對于地源熱泵來說，最關鍵的是換熱能力。在樁基中由于水泥的傳熱系數很大，而且在很短時間內就會將熱量傳導出去。所以可以近似地把地埋管和水泥看做一個整體，并且水泥的溫度近似與地埋管中水溫一致，從而相當于把傳統的直埋型地埋管換熱半徑擴大。這樣子看來，樁基埋管的換熱面積大大增加，換熱能力應該遠遠高于傳統的直埋型熱泵。

1.1土壤源熱泵工作特點

土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對穩定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統與建筑物內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，通過高效熱泵機組向建筑物供熱或供冷。初投資偏高，機房面積較小，節省常規系統冷卻塔可觀的耗水量，運行費用低。

1.2土壤源熱泵的應用條件

總結了近幾年的工程實例和參考文獻得出共有4個條件。①同時具有夏冬空調負荷，并且年冷熱負荷較接近時對土壤源熱泵系統的運行更有利；②當地下土壤溫度在13-19℃時，土壤換熱器的效果最為顯著，而我國大部分的夏熱冬冷地區最為合適；③當地100M之內不存在堅硬地層，而存在保水性好的砂土層對土壤源熱泵實施起來更有利；④具備合適的土壤換熱器布置面積。

1.3土壤源熱泵特點

1.3.1輔助動力少

評價土壤源熱泵系統性能參數之一是輔助動力，它是系統經濟性的重要因素。為了保證充分的熱交換和地下管道的水力平衡，地下埋管系統嚴格控制臨界速度，因為水流出于層流狀態，傳熱會惡化，甚至由于水流速度慢，會出現氣塞現象，氣塞會造成水利不平衡。而在紊流狀態下增加流速不會對傳熱帶來多大的改善，因為此時熱阻主要有管道熱阻造成，水的熱阻相對來說很小，此時增加流速只會增加泵的容量。

1.3.2運行管理方便，運行狀況好

土壤源熱泵另一個優點是對設備的維護要求不高。首先這種系統減少了室外許多運轉設備，不需要冷卻塔，鍋爐這種長期維護設備。另外對于熱泵系統來說為了解決結霜問題，人們不得不采用電加熱等方式間接的位設備除霜融霜后的設備突然啟動就更危險。而熱泵系統與大地接觸，與大地換熱保證了不會結霜。系統運轉部件少則系統噪音小。

2.模擬過程

2.1模型的建立以網格劃分

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型管內的水、U形管（兩個并聯）和土壤。樁的直徑為1M，土壤平均初始溫度18℃。而對于管內水流速度，雖然流速越大，紊流越強，造成的換熱量增大，但對于循環泵的壓力也越大，綜合考慮雙U型樁基埋管的水流速度為0.6m/s。其余是模型建立時的一些數據如下：PE管入口湍流強度為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℃，土壤導熱系數1.300（w/m·k），密度1847（kg/m），比熱（1200j/kg）；鋼筋混凝土導熱系數1.628（w/m·k），密度2500（kg/m），比熱837（1200j/kg），PE管導熱系數0.420（w/m·k），密度1100（kg/m），比熱1465（1200j/kg），網格劃分原則是：計算區域三維網格劃分采用非結構的四面體網格單元。從管內流體、鋼筋混凝土樁基、土壤由密到疏的三級模式。管內流動加載了必要的邊半徑包括研究的土壤半徑遠遠小于井深，因此屬于細長形的幾何體。在劃分網格時，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格劃分較稀疏。在U形管下部的彎管處，由于流場變化劇烈，且曲度較大，所以要加密對網格的劃分，避免網格有較大的傾斜角。

2.2模擬結果

表1 夏季單位井深放熱量隨進水溫度的變化

可以看出，換熱量隨進口水溫增加線性增加。如果提高地源熱泵在夏季運行中U形管進口水溫將有利于U形管與土壤傳熱。使用較高的進口水溫，將會大大加強U形管與周圍土壤的換熱。這主要是由于進口水溫較高時水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強所致。可以推想，在冬季運行工況下，如果U形管的進口水溫降低，也會使水與土壤的溫差加大，必然也能增加單位管長的換熱量。但埋管進口水溫越高，（在夏季）熱泵機組的效率也越 低。因此，應綜合考慮選擇適宜的水溫。綜合考慮夏季雙U型埋管進水溫度36℃較適宜。

表2 冬季單位井深取熱量隨進水溫度的變化

表3 鋼筋混凝土導熱系數對雙U型埋管換熱性能的影響

表2展現出冬季管內進水溫度變化時，埋管放熱量的值。和夏季的原理一樣，綜合考慮冬季雙U型埋管進水溫度6℃較適宜。需要補充的是，水流速度也影響換熱性能。流速越大，湍流越強，換熱強度就越大。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泵的負擔，COP值降低，效率也不高。所以綜合考慮選0.6m/s合適。

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

4.結論

（1）雙U型樁基埋管夏季管內供水溫度36℃較為合適。

（2）雙U型樁基埋管冬季管內進水溫度6℃較為合適。

（3）鋼筋混凝土導熱系數1.6～1.8w/（m·℃）較為合適。

【參考文獻】

[1]曾建龍.性能可調節圍護結構研究.清華大學工學博士學位論文，2006.

[2]張佩芳.地源熱泵在國外的發展概況及其在我國應用前景初探.制冷與空調3）：12-15.