淺談能量樁換熱影響因素

張立軍 顏 萍

（1、吉林省南北建筑工程有限公司，吉林 長春130000 2、吉林建筑大學，吉林 長春130000）

與傳統地源熱泵鉆孔埋管技術相比，能量樁技術即不需要復雜的鉆孔工藝，還縮小了地下空間的應用，同時不存在管內液體泄漏到土壤導致環境污染的問題。目前我國已建有能量樁技術的建筑，依據地下空間環境的不同，如土壤類別、含水率、樁身大小及熱物性、是否存在地下水的流動，能量樁換熱效率也受到不同程度的影響。

1 土壤類別對能量樁換熱的影響

土壤作為一種有限的資源。根據土壤質地，土壤分為沙土、壤土、粘土。沙土顆粒間孔隙大，透水性好；粘土土質粘重，保水性好；壤土的性質則介于沙土與粘土之間。能量樁埋在地下土壤中，樁身垂直方向上不同埋深情況下，土壤分層土壤性質不一致時，樁身換熱效率受到一定程度影響，這就導致樁身在不同埋深換熱量存在差異。

根據洪偉[1]等人的研究發現：當考慮樁周圍土體為黏土砂土和巖石時，能量樁單位長度換熱量大小依次為巖石>沙土>粘土。這是由于巖石導熱系數最大，因而能量樁單位長度換熱量最高。

2 樁身尺寸和回填材料對能量樁換熱的影響

能量裝技術采取地下淺層地熱能，實現樁身熱量與其周圍土壤熱量的相互傳遞，不同的樁身尺寸將對能量樁與土體之間的熱交換作用產生不同程度的影響，現有學者研究發現能量樁樁- 土體間換熱量與樁長成反比，與樁徑成正比[2]，樁長越小樁徑越大，其換熱量越高。

能量樁主要由換熱管和回填材料構成，回填材料由水泥膠凝材料、集料等組成。不同配合比的回填材料對能量樁力學性能和傳熱性能存在一定程度的影響，有學者[2-3]就回填材料配合比問題展開研究。發現當回填材料加入鋼纖維時，配置出不同材料配合比的回填材料可得到最優材料配合比，見表1[7]。根據最優材料配合，并制作能量樁，在保證能量樁力學結構情況下，還可以有效提高樁身導熱系數，從而增加了能量樁與周圍土壤的換熱量。

3 埋管形式和循環夜流速對能量樁換熱的影響

能量樁埋管形式沿用了傳統地源熱泵垂直埋管換熱器方式：U 形，W 形，螺旋形等。趙嵩穎[4、8]等人建立能量樁數值模型，模擬在W、U、并聯雙U 形三種不同的埋管方式下，如圖1 所示，能量樁周圍土壤溫度場分布得出結論，并聯雙U 形埋管對土壤溫度變化影響最大，如圖2 所示。

張爽[5]和陳忠購[6]建立U 形樁基埋管換熱器，探究埋管形式和循環夜流速對能量樁的換熱性能影響，張爽等人得出結論：與單U 形以及W 形埋管形式相比，并聯雙U 形對樁基埋管換熱器換熱的影響較顯著，管內循環夜流速不同，能量樁換熱量差別不大。陳忠購等人則得出結論：能量樁換熱效率隨埋管數量增加而提高；若埋管數量一定，樁內所有U 形管的支管等間距布置能量樁的換熱效率最高；U 形管進出水支管的布置順序對能量樁的換熱效率影響很小；若循環液流動速度保持不變，增加埋管直徑能增大能量樁的換熱效率，見圖3[2]。

因建筑物能耗需求，能量樁運行過程中，冬季向土體吸取熱量，夏季向土體釋放熱量。但是，周期性運行時，間歇時間長短不一，吸取熱量與釋放熱量若不平衡，就會造成土體溫度的升高或下降，進而影響能量樁的換熱效率。任連偉開展了微型鋼管群樁的現場試驗，研究發現循環溫度次數增加，能量樁換熱效率降低；間歇時間越長，能量樁換熱效率越高。宋懷博等對砂土地基中能量樁的研究發現，相同的條件，制熱模式下能量樁影響周圍土體的范圍大于制冷模式；且制熱效果低于制冷效果。可以看出，在制熱工況下有效轉移能量樁周圍土體熱量，對于提高能量樁換熱效率有幫助[9]。

圖1 換熱管埋設方式圖

4 能量樁預期發展前景

圖2 不同埋管形式換熱性能比較圖

圖3 樁直徑不同儲熱后溫度分布圖

近年來，可再生能源開發利用日益受到重視，因其具有清潔、高效，穩定、安全等優勢，在供暖制冷方面淺層地熱能的開發利用尤為突出。積極探索控制地下水最佳滲流速度，高效采取淺層地熱能用于建筑供暖制冷，為提高能量樁換熱效率蓄力。如何提高能量樁高效換熱效率將成為未來的研究方向。