地源熱泵樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能比較

摘要：相對于鉆孔埋管換熱器，樁基埋管換熱器在換熱性能和經濟性方面均具有較大優勢，目前越來越廣泛的應用于地源熱泵工程中。圍繞鉆孔與樁基埋管換熱器的結構特點和換熱機理進行對比分析，針對南京某項目樁基埋管換熱器開展了換熱性能實測及數值模擬分析，并采用數值模擬手段對比分析了鉆孔與樁基埋管換熱器的換熱性能差異。研究結果進一步證明了樁基埋管換熱器具有良好的換熱性能。提出的傳熱性能數值模擬方法可較準確地計算出樁基和鉆孔埋管換熱器的傳熱效率。

關鍵詞：地源熱泵；換熱器；換熱性能

中圖分類號：TU831.7

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）03-0151-06

Comparative Analysis of Heat Exchange Performance of

Energy Piles and Borehole Heat Exchangers in GSHP System

Gui Shuqiang， Cheng Xiaohui， Zhang Zhipeng

（1.Department of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100086， P. R. China；

2. Nanjing Fullshare Energy Science Technologies Co. Ltd.， Nanjing 210012， P. R. China）

Abstract：Due to their enhanced cost-effectiveness and efficiency over traditional borehole exchangers， energy piles are increasingly used in Ground Sourced Heat Pump （GSHP） projects. In this paper， the structural characteristics of these two types of heat exchangers and their heat transfer mechanism were discussed firstly. The thermal response tests （TRT） were performed on two testing energy piles in one GSHP project in Nanjing， China. The TRT results were then used to verify the numerical simulations， which suggests that the heat exchange performance of energy piles is superior to that of the traditional borehole exchangers. Meanwhile， the numerical simulation method used in this paper was considered applicable to the optimization design of ground heat exchangers in GSHP system.

Key words：

ground source heat pump； heat exchangers； heat exchange performance；

作為世界上最大的發展中國家，中國在經濟高速發展的同時，面臨著環境污染、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。據統計，目前建筑運行能耗約占全社會商品用能的1/3，而在建筑運行能耗中，暖通空調系統的能耗約占60%左右，是節能潛力最大的領域之一[1]。

地源熱泵作為建筑節能的一個有效途徑，目前已經廣泛地應用于建筑空調系統供冷供熱中。它以地下15～200 m以內的巖土層作為空調系統的冷熱源，夏季將室內熱量通過熱泵機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組送至室內。地下換熱器是整個地源熱泵系統的關鍵組成部分。目前中國大多數工程均采用鉆孔埋管換熱器作為地下換熱器。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80年代，奧地利和瑞士等國技術人員開始利用建筑物基礎作為地源熱泵的地下換熱器。起初利用基礎底板，后來發展到利用樁基、地下連續墻甚至隧道結構作為地下換熱器。這些利用建筑結構部件進行地下熱交換的結構形式被統稱為地下熱工結構 （Thermo-active Ground Structures）[2]。與傳統鉆孔埋管換熱器相比，它利用了建筑物基礎中混凝土較好的熱傳導性能和建筑物基礎與地下巖土體的更大換熱面積，提高了地下換熱器的換熱性能，節省了大量的鉆孔費用和地下空間資源。該技術已在其他國家得到較廣泛的應用[3-4]。近年中國也陸續開展了這方面的應用和研究工作。地下熱工結構在工程應用中主要存在結構安全和傳熱規律兩方面的障礙[2，5]。從傳熱角度分析，學者們采用理論分析[6-7]和數值模擬[4]2種手段對地下熱工結構展開研究，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，但由于其結構形式復雜多樣，換熱理論尚不完善。

筆者擬主要從換熱性能的角度出發，在分析樁基與鉆孔埋管換熱器的換熱結構和換熱機理差異的基礎上，通過實測和數值模擬2種手段對樁基和鉆孔埋管換熱器的換熱性能進行對比分析，旨在找出樁基換熱器的一般規律和優越性。

1 樁基與鉆孔埋管換熱器結構、換熱機理及經濟性對比分析

1.1換熱器結構對比分析

一般樁基深度為25～60 m，直徑600～1 200 mm，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構取決于所利用樁基的深度、直徑等因素。若樁深大于50 m，循環水在管內的停留時間較長，循環水與周圍介質換熱充分，一般采用并聯形式的換熱器，即在一個樁基內埋設若干組U型管，每組U型管間以并聯方式連接。若樁深小于50 m，循環水在管內的停留時間較短，換熱不充分，為與地源熱泵機組進出水溫度匹配，需要保證一定的換熱器進出口溫差，一般采用串聯形式的換熱器，即樁基內U型管間的連接方式為串聯。

此外，樁基埋管換熱器的結構與施工工藝也有關。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側，埋管隨鋼筋籠一起下至樁基鉆孔內，通過導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，埋管隨混凝土注漿導管下至孔中，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，澆筑混凝土時對埋管的影響較小，施工成功率較高，但在埋管綁扎和下管時，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間；后者在澆筑混凝土時產生的震動可能會造成埋管變形或損壞。

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50～120 m，鉆孔直徑為120～150 mm，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和并聯2種，其連接方式與前述樁基埋管換熱器的原則相同。

1.2換熱機理對比分析

樁基與鉆孔埋管換熱器有著相似的換熱機理[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流體對流換熱、管內流體與管壁對流換熱、管壁導熱、管外壁與回填材料接觸換熱、回填材料導熱、回填材料與巖土體接觸換熱、巖土體的導熱等7部分構成。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量所決定。在理論計算時一般認為不同材料接觸界面的接觸良好，接觸熱阻為零。

由于鉆孔結構的長、細特點，在鉆孔地埋管傳熱計算時通常以鉆孔壁為邊界將傳熱分為鉆孔外傳熱和鉆孔內傳熱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，而對于鉆孔內傳熱，由于鉆孔孔徑較小，一般假設鉆孔內的傳熱為穩態傳熱[9-11]，即鉆孔內沿深度的熱流密度相同，且溫度分布不隨時間變化。而對樁基而言，由于其與鉆孔在結構尺寸上的巨大差異，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，并且樁基內的傳熱要經過很長時間后才能達到穩態傳熱，因而也不能將樁基內的傳熱簡化為穩態傳熱。

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理，但是由于它們結構尺寸上的差異，并不能直接利用已有的鉆孔地埋管傳熱模型來計算樁基埋管的傳熱。

1.3經濟性對比分析

鉆孔埋管的施工費用包括成孔、下管和灌漿回填3個主要環節。成孔費用與地質條件有較大的關聯性。調研發現，中國目前鉆孔埋管成孔費用介于50～120元/m之間。對于特別復雜的地質條件，例如巖溶區、含流砂的地層以及斷層破碎帶等地層，該部分費用還可能更高。下管的費用一般在10元/m以內。灌漿回填的費用一般在20～30元/m。而對于樁基埋管來說，成孔和灌漿回填這2部分費用均不會產生，主要施工費用發生在下管這個環節。樁基埋管下管時要將換熱管固定在鋼筋籠上，因而其工藝較鉆孔埋管要復雜的多，且涉及到與樁基施工單位相互配合時產生的管理成本，目前該部分的費用一般為30～40元/m。綜上，不考慮換熱管材料費的差異，沿深度方向每延米樁基埋管的施工費用約為鉆孔埋管的20%～30%。可見樁基埋管在經濟性上明顯優于鉆孔埋管。

2樁基換熱器換熱性能實測

以南京某采用灌注樁埋管換熱器的地源熱泵項目為研究對象進行換熱性能實測。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800 mm，深度為30 m。考慮到對U型彎管處的保護，U型管的埋設深度為27 m。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，2組U型管為串聯連接方式。

試驗目的主要有2個：其一為實測樁基埋管換熱器的換熱性能；其二為測試溫度變化時樁基結構應力響應特征，筆者主要討論第一個方面。測試設備原理如圖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。僅使用電加熱時可測試樁基埋管換熱器放熱工況下的換熱性能；當在冰水水箱中不斷加入冰塊且開啟電加熱裝置時，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，進而控制進口水溫。

試驗時換熱器進口溫度和流速的設計至關重要。夏季換熱器設計進口溫度一般為35℃。但也有文獻指出，夏季可利用地埋管換熱器進行蓄熱以供冬季使用，在蓄熱工況下，地埋管的進水溫度可以達到60℃以上[12]。由于試驗不僅要對灌注樁換熱器的換熱性能進行研究，還要研究極限溫差條件下灌注樁樁身中的應力調整，因此試驗中樁基埋管換熱器放熱工況進口溫度確定為60℃。吸熱試驗時，與地埋管冬季設計最低進口溫度相同，即為5℃。試驗中換熱器內循環水的流速參照“地源熱泵系統工程技術規范”的要求，管內流速控制在規定范圍內[13]。

在對每個樁基埋管換熱器測試時，均采取了吸放熱2種工況，1#基樁先進行放熱測試，后進行吸熱測試；2#基樁先進行吸熱測試，后進行放熱測試。試驗中吸放熱量的實測值和文獻[14-16]中上海世博軸樁基埋管換熱器的實測值對比如表1所示。對比試驗1#和2#基樁的換熱量可知，樁基埋管的放熱量大于吸熱量，這主要是由于放熱時進口溫度與巖土體初始溫度之差大于吸熱時的溫差造成的。1#基樁放熱量小于2#基樁放熱量，而吸熱量卻相反。分析其原因，主要是由于時間條件限制，吸放熱2種測試工況的時間間隔只有十幾個小時，灌注樁周圍地溫及樁基內部及周圍溫度未恢復到初始巖土體溫度。對比世博軸1#和2#基樁的換熱量可知，樁基埋管換熱器的換熱量與流量有關，流量越大，換熱量越大。

試驗放熱工況進口溫度為60℃，此時換熱量并不能代表本項目樁基埋管換熱器夏季運行過程中的實際放熱量。與上海世博軸項目樁基的放熱量對比可知，試驗樁基埋管放熱量遠遠大于上海世博軸樁基埋管換熱量，可見進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。

3 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能數值模擬對比分析

3.1樁基埋管換熱器換熱性能數值模擬

采用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）方法對樁基埋管換熱器開展非穩態流固耦合的數值模擬分析，并與第2章的實測結果對比，以驗證數值模擬的可靠性，為下一步采用數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。

由于實際樁基埋管的傳熱非常復雜，在模擬時需要采取必要的假設。具體假設包括[17]：1）樁基周圍巖土體熱物性均勻；2）忽略地下水流動，認為樁基與周圍巖土的傳熱過程為熱傳導；3）樁基內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量守恒、動量守恒、能量守恒以及湍流標準的k-ε模型。采用非結構化網格對樁基埋管換熱器進行網格劃分，其水平界面和三維網格劃分分別如圖5和圖6所示。模擬中各材料的熱物性參數值如表2所示。

對進口溫度為278 K（5 ℃）時樁基埋管換熱器的換熱性能進行數值模擬，并與2#樁吸熱時的試驗數據對比。模擬中采用的流量與2#樁吸熱時的流量相同，即0.6 m3/h。圖7為數值模擬和試驗中換熱器進出口溫度隨時間變化的對比，可以看出模擬得到的進出口溫度曲線光滑，而試驗得到的進出口溫度曲線有一定的波動，這主要是由于冰水水箱中不斷加入冰塊使換熱器進口溫度波動所致。通過對比可發現，模擬與試驗的進出口溫度變化趨勢相同，且模擬的溫度接近實測值，由此可說明該數值模擬方法的可靠性。換熱開始時，出口溫度較高，隨著加熱過程的進行，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，并逐漸趨于穩定。

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

取樁基埋管換熱器吸熱時管內溫度沿深度方向變化的模擬值進行分析。選取運行10 h時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，流體溫度隨深度的變化接近線性，流體從周圍介質吸熱，溫度沿流動方向逐漸升高。

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

3.2 樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能數值模擬對比分析

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及巖土初始溫度下對其進行了非穩態數值模擬，同時結合前述方法對樁基也進行了相同的模擬分析。

鉆孔換熱器尺寸及有關參數如表3所示。

圖11和圖12分別為樁基和鉆孔埋管換熱器夏冬季分別運行10 h沿深度方向的中心截面溫度分布云圖。可以看出，樁基埋管換熱器2組U型管間距較遠，運行10 h后2組U型管間的熱干擾還很小；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重。

表4為樁基與鉆孔埋管換熱器換熱量的模擬值對比表。模擬時為保證2種換熱器管內流速相同，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。

4結論及展望

1）鉆孔與樁基埋管換熱器換熱機理相似，但由于兩者結構尺寸方面的差異，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，也與管內流速以及進口溫度與巖土體初始溫度之差有關。一般而言，管內流速越大，換熱性能越好；進口溫度與巖土體初始溫度之差越大，換熱性能也越好。

3）數值模擬結果與實驗值有較好的吻合性，驗證了所采用的數值模擬方法的可靠性，為使用數值模擬方法分析樁基埋管換熱器奠定了基礎，提高了研究效率，可為地源熱泵的優化設計和可靠運行提供技術支持。

4）采用數值模擬手段對鉆孔和樁基埋管換熱器的換熱性能進行了對比分析，結果證明樁基埋管換熱器的換熱性能明顯優于鉆孔埋管換熱器。

試驗對南京某項目樁基埋管換熱器同步進行了熱響應測試和結構響應測試。筆者僅從樁基埋管換熱器換熱性能的視角展開了研究，關于結構響應測試方面的研究成果將在后續工作中展開討論。

（致謝：文中的樁基熱響應實測工作得到了南京江寧科技展覽館指揮部和南京豐盛新能源科技股份有限公司的大力支持，以及清華MIT劍橋三校低碳大學聯盟基金（300907001）的資助，特此致謝！）

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