不同种类地埋管换热器换热试验与仿真

陈 智，海 迪，张国刚，肖衡林，王 博

1）湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430068；2）中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北武汉430064

地源热泵是一种高效、节能、环保的可再生能源利用技术，通过热泵机组将蕴藏于地下土壤、地表水及地下水等可再生资源中难以直接利用的低品位热能提取出来，达到供暖或制冷的目的，有效地节约了矿物燃料和土地等资源，对解决环境污染和能源短缺问题具有重要意义.然而，目前传统的钻孔埋管换热器技术存在施工费用较高及占地面积较大等缺点，因此有学者提出将传统钻孔埋管换热器的换热管埋设在建筑桩基内部，形成新型热工地下的结构能源桩［1-2］，即桩内埋管型能源桩.该结构具有不占用额外的地下空间、钻孔环节少、成本低等优点，并且换热性能好［3］.深层埋管型能源桩是一种传统钻孔埋管换热器与桩内埋管型能源桩相结合的新型地埋管换热器［4］，采用换热井内埋管的形式，在桩身中心设置换热井并延伸至地表以下100 m，换热管上部为混凝土包裹，下部为岩土体包裹.这种新型能源桩技术既能充分利用桩内埋管的优势，又进一步提取桩基底部的深层地热能，提高换热器的换热总量［5］.

国内外学者对能源桩的换热性能开展了研究.孔纲强等［6］对黏性土地基中摩擦型能量桩开展了现场热响应试验，发现在3.0 kW恒定输热功率条件下，平均每延米瞬态热交换值稳定在30.5 W·m-1左右.崔宏志等［7］用室内大尺寸相变能源桩模型进行循环温度荷载作用下的试验观测及分析，发现能源桩持续运行下产生的温度变化会给桩周土体带来一定的温度累积.程晓辉等［8］总结了饱和黏土温度-应力耦合的体积变化规律，评述了现有岩土热力耦合本构模型存在的问题.FLEUR等［9］提出了新的桩温响应功能，反映换热器的典型几何形状，包括桩基混凝土的瞬态响应.LIU等［10-11］研究了单U型、双U型、三U型、W型和螺旋型等桩内埋管方式对换热量的影响型能源桩主要有.目前关于传统钻孔埋管换热器及桩内埋管型能源桩的研究较多［12］，主要集中于换热器的传热效率、传热机制及热力响应［13］方面，不同换热器之间换热特性的对比研究仍较少.本研究针对不同地埋管换热器的结构特点，参照实际使用工况开展现场换热试验，结合仿真模拟对比分析3种换热器的换热特性，为地埋管换热器的设计优化及推广应用提供思路.

1 现场测试

1.1 试验概况

本试验基地位于湖北工业大学校内，试验场地设有2根能源桩及5个传统钻孔埋管换热器［14］，其中能源桩分为桩内埋管型和深层埋管型两种，3种地埋管换热器的主要结构参数见表1.

表1 地埋管换热器的主要结构参数Table 1 The main structural parameters of the buried pipe heat exchangers

传统钻孔埋管换热器采用小型钻机钻设100 m深的钻孔，换热管埋设于钻孔中心.桩内埋管型能源桩采用灌注桩浇筑成型，换热管绑扎于钢筋笼上.深层埋管型能源桩在灌注桩成型的基础上，于桩基中心向下钻设100 m深的钻孔，换热管埋设于钻孔中心，结构布置如图1.三种地埋管换热器的换热管集中连接于集分水器，深层埋管型能源桩和传统钻孔埋管换热器均采用双U并联循环换热，桩内埋管型能源桩采用五U并联循环换热，通过集分水器上的阀门开关控制各换热器的连接方式，如图2.场地主要由软塑的粉质黏土层、软塑的淤泥质粉质黏土层、可塑的黏土层及可塑的粉质黏土层组成.

图1 地埋管换热器结构大样图Fig.1 Large-scale diagram of the buried pipe heat exchanger structure

图2 换热管集分水器Fig.2 Heat exchange tube water collector

1.2 试验方案

本实验选取基地1#、2#和3#地埋管换热器，采用HGNY-03岩土热响应仪测试仪.电加热器以3.5 kW恒定功率对循环水进行加热，循环水以流量为1 m3/h（流速为0.52 m/s）在地埋管换热器中循环流动，温度降低流回测试仪经加热再次流入换热器中进行热交换.现场热响应测试过程中，先后持续加热1#、2#和3#换热器48 h，不同地埋管换热器测试间隔一周时间，待地温恢复后再进行下组测试.

1.3 数据分析方法

地埋管换热器的总换热量由换热管进、出口温差决定，每延米换热量与总换热量和换热管的长度相关.依据热响应仪测得的换热器进、出口水温及流量，采用式（1）和（2）计算换热器的总换热量Q及每延米换热量q：

其中，ρ为循环水密度，取值1 000 kg/m³；V为循环水流量；cp为恒定压力下循环水的比热容，取值4.2×103J/（kg·℃）；tin和tout为循环水进、出口温度；L为换热管有效长度.

2 现场试验分析

图3给出3种不同地埋管换热器进、出口水温及流量曲线，表2给出其温升指标.3种换热器在恒定流量的加热过程中，进、出口水温度逐步升高，且渐趋稳定.

表2 温升指标Table 2 Temperature rise index

图3 地埋管换热器进、出口水温及流量曲线Fig.3 The inlet and outlet water temperatures and flow curve of the buried pipe heat exchanger

在进水口温度达到稳定的过程中，温升速率越大，换热器散热效果越弱.可以看出，试验前期12 h内，1#和2#的温升幅度较大，3#的温升幅度较小，原因在于混凝土的高导热性导致桩基内部在换热初期产生热堆积，温度高于同深度的岩土体，引发热干扰效应，3#周围为岩土体包裹，温升较慢.由于试验前期循环水温度不高，热干扰效应对换热器散热效果的影响较为明显，导致1#和2#在试验初期温升快，但随着循环水温度升高，热干扰效应产生的不利影响逐渐减小.加热24 h后3#的温升幅度超过1#，但是低于2#，这是因为2#受桩基长度限制，埋置深度较小，换热管循环回路较短，受环境因素影响较大，因此桩基及循环流体的温升偏快.

由上述分析可知，混凝土的高导热性在不同的试验时期起着不同的作用.试验初期，混凝土的升温速度及传热效率均大于岩土体，因此1#和2#进水管中的循环水升温较快.另一方面，正因为混凝土温度较高，整个桩基的热量堆积导致1#和2#出水管中的循环水受到干扰，影响热量的散发，3#则不受此影响.试验中期，循环水的温度逐渐接近桩基混凝土的温度，1#和2#出水管中的循环水受到的干扰逐渐减小.随着试验的持续进行，混凝土的热干扰不再显现，其高导热性使得1#和2#的散热能力得到提升，而3#周围是岩土体，其散热能力随着试验的推进凸显劣势.

对比1#和3#温升增幅情况可以看出，1#桩基的散热效果比3#提高约23.70%.2#的散热效果优于3#，但弱于1#.可见，深井与桩基的结合使得换热器能更快达到稳定状态.

3 数值模拟

3.1 基本假定

本研究考虑能源桩传热特点，对仿真计算作以下假定：①忽略地下水渗流对埋管换热器的影响，将桩基与土壤视为固体，不考虑桩基与土壤间的接触热阻，视为纯导热；②换热器周围及深层岩土体温度均匀；③换热循环流体、换热管、桩基混凝土和土壤材料均为均质各向同性，热物性参数不随温度和时间的变化而变化.

3.2 有限元模型

根据试验基地地埋管换热器尺寸，建立3种比例均为1∶1的地埋管换热器有限元模型.依据试验基地测温点既往的实测情况来看，1#和3#的传热半径相近，2#的传热半径比较大.综合考虑模型网格数量、换热器传热半径和换热器实际尺寸等因素，以换热器的轴心为中心，1#和3#模型岩土层的水平外边界取为径向4 m，深度为110 m，2#模型分别取为8 m和24 m，换热管外径25 mm，土体及换热器材料热物性如表3.由于换热管管壁较薄，为方便建模，管壁不单独设置实体.换热器模型包括循环流体、桩和桩周土体3个部分.换热过程可以简化为2个部分，分别为循环水与桩基传热、桩基与和桩周土体的传热.换热器网格划分如图3.

表3 换热器材料热物性参数Table 3 Thermophysical parameters of heat exchanger materials

图4 地埋管换热器网格划分Fig.4 Grid division of buried pipe heat exchanger

3.3 模拟结果分析

图5给出了相同工况下3种地埋管换热器运行48 h后，换热管沿深度的温度分布情况.表4给出其温度指标，其中进水口与底部的温差称为进管温差，出水口与底部的温差称为出管温差.

表4 温度指标Table 4 Temperature index

图5 换热管沿深度变化的温度分布Fig.5 The temperature distribution of the heat exchange tube along the depth

从进管温差来看，1#比2#高0.07℃，即深井的设置使得进水管段温差提高，1#比3#高0.33℃，即桩基的设置使得进水管段温差提高.为了分析桩基和深井对换热效果的影响，将1#和3#进水管段划分为桩基段和深井段，1#和3#桩基段温差分别为1.00℃和0.65℃，深井段温差分别为1.61℃和1.63℃.可以看出，1#换热效果的提升主要表现在桩基段.

从出管温差来看，1#比2#高0.22℃，这是因为2#回路短，热堆积较快，对循环水换热造成较大的影响，而1#回路长，热堆积较慢，不利影响较小.1#比3#高0.08℃，其中，1#和3#桩基段温差分别为0.25℃和0.13℃，深井段温差分别为0.83℃和0.87℃.可以看出，桩基依旧是提高换热量的主要因素.

比较1#和2#可见，深井的合理设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰，还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响.比较1#和3#可见，桩基的设置可较大地提高换热器的整体换热量.

3种换热器在出水管段均出现不同程度的温度回升情况，重合度较高，一定程度上促使出水管段的温差低于进水管段，这可能是以下因素所致：①循环水在出水管段温度较低，与周围环境的温差较小，导致换热效果低于进水管段；②受桩基部分热干扰效应影响，出水管内循环水温度降幅较小；③钻孔埋管间距小，换热管间存在热干扰，进水管段的温度影响出水管段，降低出水管部分的换热效果.

图6给出换热器10 m深处的温度云图.沿深度方向，按间距10 m（2#间距2 m）提取1组横向截面温度变化曲线，如图7.由图6可见，1#和3#换热管间的热干扰较为严重，2#换热管间的热干扰较小.由图7可见，同为钻孔埋管，1#和3#的温度场较为相似，整体呈现中间高、周围低的轮廓，2#换热器温度较高，整体呈现中心低、周围高、两侧低的轮廓.桩心距为0处，1#、2#和3#最高温度节点处为29.30、28.14和29.04℃，相同桩心距处2#平均温度比3#高1.29℃，3#平均温度比1#高0.44℃.

图6 换热器10 m深处的温度云图Fig.6 Temperature cloud map at 10m of the heat exchanger

图7（b）中2#桩基中心的温度较为平稳，这是因为2#换热管间距较大，换热管间的热干扰程度小，1#和3#桩基中心则出现温度峰值.结合图5温度分布曲线分析，影响1#和3#出水管段换热效果的因素主要是埋管间距较小，换热管间的热干扰抑制了循环水的换热效果.影响2#出水管段换热效果的因素主要是桩基热堆积较为严重，导致循环水在出水管段的温度与桩基之间的温差较小.

图7 换热器整体温度随桩心距变化分布Fig.7 The overall temperature of the heat exchanger with the distance between pile centers

4 换热对比

图8和图9给出3种换热器试验进出口温差及每延米换热量对比情况.可以看出，试验测试期间，1#的平均温差为3.39℃，2#的平均温差为3.20℃，3#的平均温差为3.01℃，1#与3#的进、出口温差波动范围较小，2#由于换热管埋置浅，温差波动较大.1#和3#的每延米换热量分别为40.09 W/m和35.29 W/m，而2#由于桩内换热管数量多且混凝土导热性良好，其每延米换热量75.52 W/m.图10给出3种换热器试验与模拟的各项换热对比.由图10可知，3#未设置导热性高的混凝土桩基，单桩换热量最低.1#和3#深度相同，对比可知桩基的设置使得换热器的单桩换热量提升13.6%，1#和2#桩长相同，对比可知深井的设置使得换热器的单桩换热量提升6.17%，2#和3#对比可知，桩内埋管式能源桩的单桩换热量相比传统钻孔埋管换热器提升了6.99%.

图8 试验进、出口温差对比Fig.8 Comparison of test inlet and outlet temperature difference

图9 试验每延米换热量对比Fig.9 Comparison of heat exchange per linear meter of test

图10 试验与模拟的换热对比Fig.10 Heat transfer comparison between experiment and simulation

依据不同地埋管换热器的换热效率及换热量，相比另外两种改进型换热器，3#均处劣势，2#作为现行使用最广的换热器，在有着较高换热量提升的同时，还拥有较高的换热效率，但其桩基热堆积较为严重，对长期运行下的换热效果影响较大.1#作为2#的改进型换热器，换热量有着不俗的提高，同时具备2#和3#的独特优势，为能源桩的应用和推广提供新的技术思路.

5结 论

1）对比3种地埋管换热器的换热量，相同深度下，深层埋管型能源桩单桩换热量及换热效率均高于传统钻孔埋管换热器，相同桩长下，深层埋管型能源桩单桩换热量高于桩内埋管型能源桩.

2）桩基的高导热性可显著提高换热器的换热效果，其热堆积引发的热干扰效应则影响换热器的换热效果.深井的合理设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰，还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响，深层埋管型能源桩的井-桩段换热比为1.95.

3）换热管间的热干扰制约着深层埋管型能源桩及传统钻孔埋管换热器出水管段的换热效果，若在换热器施工工艺上加以改进，克服换热管间的热干扰效应，将显著提高换热器整体的换热效果.

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