雙U型埋管能源樁樁周巖土體溫度場分布特征試驗研究

趙海豐,唐榮彬,桂樹強, 駱進,賈甲

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；3.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430080)

?

雙U型埋管能源樁樁周巖土體溫度場分布特征試驗研究

趙海豐1,2,唐榮彬3,桂樹強1, 駱進2,賈甲2

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；3.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430080)

能源樁；雙U型埋管；溫度場；分布特征

能源樁利用樁基(建筑樁基、基坑圍護樁、CFG樁等)進行熱交換，在能源樁制熱時，熱量向四周傳播而造成巖土體溫度升高，制冷時則造成周邊巖土體溫度降低[1-3]。周期性運行時，能源樁向巖土體釋放的熱量與抽取的熱量應(yīng)保持平衡，以保證能源樁的持續(xù)高效運行，當(dāng)能源樁的冷熱負荷不平衡時，在周期性運行過程中就會造成巖土體溫度的升高或下降，進而降低能源樁的運行效率[4-6]。因而，通過現(xiàn)場試驗分析能源樁周邊的溫度場分布特征，對研究能源樁的布置及運行效率有重要意義。目前，針對能源樁傳熱過程中周邊巖土體溫度場的研究較多，但主要為根據(jù)考慮樁徑和埋管型式的不同提出了各種傳熱模型，進而進行了大量的理論計算和數(shù)值模擬，并進行對比分析[6-14]。其主要缺點在于缺乏現(xiàn)場試驗驗證，難以檢驗計算溫度場的正確性及數(shù)值模擬的合理性。

針對上述存在的問題，在河南省信陽地區(qū)開展了現(xiàn)場原位試驗，選擇了兩根相鄰的雙U型埋管能源樁，通過TRT測試(172 h)-地溫恢復(fù)(598 h)-TPT測試(142 h)模擬能源樁的實際運行工況，在樁周和樁壁埋設(shè)傳感器監(jiān)測了整個測試過程中的樁周溫度，較為系統(tǒng)地研究了能源樁運行過程中的樁周溫度場分布特征，為指導(dǎo)能源樁設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗方案及數(shù)值模擬方法

1.1 試驗工點所依托項目概況

試驗所依托的建筑主體為信陽宋基產(chǎn)業(yè)物流園信息大廈，該項目位于信陽市城區(qū)西北側(cè)，該工程為二類高層，占地面積11 985 m2，地下建筑面積10 016 m2，地上建筑面積11 776 m2，采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)來滿足商業(yè)部分(除地下車庫)的夏季供冷與冬季供熱。項目地源熱泵冷熱源系統(tǒng)的總熱負荷為2 181 kW，總冷負荷為2 183 kW，選用2臺高溫地源熱泵機組。

地埋換熱器系統(tǒng)采用樁基埋管與鉆孔埋管相結(jié)合的復(fù)合埋管方式，其中地埋管井?dāng)?shù)量為360口，地埋管換熱器采用De25雙U并聯(lián)型埋管，豎直鉆孔埋管方式，鉆孔管徑為130 mm，鉆孔有效深度為100 m，埋管間距4 m×4 m。樁基埋管換熱器數(shù)量為210口，樁基均采用鉆孔灌注樁，樁徑600 mm，樁基埋管型式采用De25雙U并聯(lián)型埋管，如圖1所示。為了保證水力平衡，對鉆孔埋管設(shè)置兩組集分水器，對樁基埋管設(shè)置一組集分水器。

圖1 雙U型并聯(lián)埋管能源樁示意圖Fig. 1 Sketch map of Double U type pipe installation inside the energy

1.2 試驗工點基本地質(zhì)條件

試驗工點所在處的地層主要為粉質(zhì)粘土層和泥質(zhì)粉砂巖層，粘土層上層為第四紀沉積，下層為第三紀沉積；泥質(zhì)粉砂巖為白堊紀沉積形成，上層為強風(fēng)化層，下層為中風(fēng)化層。地層典型斷面圖如圖2所示。

圖2 能源樁測試工點典型地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Geological profile in the testing point of the energy

地下水主要為賦存于填土中的上層滯水和粘性土層中的少量孔隙水。上層滯水水量較大，地下水補給來源主要為大氣降水、地表水，以蒸發(fā)及入滲形式排泄；粘性土層中的孔隙水，主要分布在粘性土層中和該層與泥質(zhì)砂巖接觸帶中，以點狀、片狀分布，水量不大。

1.3 試驗布置及試驗過程

測試樁選擇一四樁承臺(其中同側(cè)的兩根樁為能源樁，分別定義為1#樁和2#樁)中的兩根樁為試驗對象，采用雙U型并聯(lián)埋管，沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)綁扎De25HDPE換熱管，測試樁直徑600 mm，樁長18.5 m，兩樁間距1.8 m。在兩根試驗樁的最外側(cè)且靠近另外一根樁部位布設(shè)一組共4個應(yīng)變傳感器(可同時測試溫度)，在兩根樁的中間部位布設(shè)一組溫度傳感器，溫度傳感器同樣布設(shè)4個，傳感器距離樁頂?shù)木嚯x分別為3.0、8.0、13.0、18.0 m。位于樁體里的傳感器通過綁扎的方式固定在鋼筋籠上，然后澆筑混凝土；非樁體上的傳感器均采用鉆孔埋設(shè)，試驗布置如圖3所示。

圖3 試驗傳感器布置圖Fig.

能源樁熱響應(yīng)試驗采用TRT法(恒熱流法)，冷響應(yīng)試驗采用TPT法(恒溫法)。現(xiàn)場熱(冷)響應(yīng)測試儀采用清華大學(xué)研制的自動化巖土熱響應(yīng)測試儀，測試過程為首先對1#樁進行熱響應(yīng)測試172 h，然后間隔598 h，待地溫恢復(fù)后再對雙樁并聯(lián)進行冷響應(yīng)測試142 h。整個測試過程于4月20日—5月30日之間完成，測試管內(nèi)循環(huán)液流速為0.8 m/s，TRT測試的加熱功率為5 kW，TPT測試的進口水溫設(shè)定為5 ℃。在試驗過程中，每隔5 min自動采集進水口溫度、出水口溫度、流量、水泵功率、加熱功率等參數(shù)，應(yīng)變及溫度自動采集儀每隔30 min采集數(shù)據(jù)一次。

1.4 樁壁及巖土體溫度測試成果

圖4為h=13 m處測試獲得的樁壁溫度及兩樁之間土體溫度隨時間的變化曲線。圖中，T12、T22和T32為1#測試、2#測試樁和兩樁中間(0.9 m處)巖土體在深度13 m處的溫度測試結(jié)果。

圖4 樁身溫度隨時間的變化曲線(h=13.0 m)Fig. 4 The tested temperature with time of the

1.5 數(shù)值模擬方法及驗證

采用數(shù)值模擬軟件FEFLOW 6.0X建立了實際尺寸的數(shù)值計算模型，計算巖土體區(qū)域范圍為5 m × 5 m × 20 m，根據(jù)鉆孔地質(zhì)條件匹配相應(yīng)的熱物性參數(shù)，對地埋管所在區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行加密處理，通過一維離散元模擬流體在管道中的流動[15-16]，數(shù)值模型如圖5所示，熱物性參數(shù)取值如表1所示。

圖5 測試樁網(wǎng)格劃分圖(10 m×10 m)Fig. 5 Mesh map of test piles in numerical modeling (10 m×10

項目密度/(kg·m-3)導(dǎo)熱系數(shù)/(W·(m·K)-1)比熱容/(J·(kg·K-1))U型管(PE)9500.401600混凝土25002.223800巖土體18002.081950流體10000.654200

為了驗證數(shù)值模型和數(shù)值模擬方法的可靠性，分別對制熱工況和制冷工況的傳熱過程進行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實測值進行了對比(圖6)。模擬值在前期(0～10 h)與實測值的平均偏差為0.8 ℃，此后平均偏差為0.35 ℃，相對誤差隨時間的增加逐漸下降且誤差值較小，驗證了本文采用的數(shù)值模擬方法的可靠性。

圖6 測試樁出口溫度模擬值與實測值對比圖Fig. 6 Comparison of simulated and measured temperature of the tested energy

2 樁周橫向溫度場分布特征

圖7給出了在不同時刻樁周溫度場的分布圖(t=0 h：初始地溫場；t=172 h：熱響應(yīng)測試結(jié)束時；t=200 h：地溫恢復(fù)階段；t=762 h：地溫恢復(fù)結(jié)束時；t=904 h：冷響應(yīng)測試結(jié)束時)。在t=0 h時，樁周為自然地溫場，樁周溫度與地溫基本一致。在對1#樁制熱過程中，能源樁樁壁溫度逐漸升高，并向四周巖土體傳遞熱量，隨著時間的增加，溫度場擴散范圍逐漸變大，且溫度隨著距離的增加呈拋物線減小。制熱過程結(jié)束后的地溫恢復(fù)階段，樁壁溫度下降且速率最快，同時,因制熱產(chǎn)生的熱量進一步向周邊巖土體擴散，溫度場影響半徑逐漸變大，在t=762 h地溫恢復(fù)結(jié)束時，樁周溫度基本恢復(fù)一致，各監(jiān)測點的溫度基本相同，但地溫略高于初始地溫場，平均溫差約1 ℃，驗證了巖土體中溫度的擴散是一個緩慢的過程，因制熱產(chǎn)生的熱量并未消散，而是積累在樁周巖土體中，造成了樁周巖土體溫度整體升高。在t=904 h雙樁并聯(lián)冷響應(yīng)測試結(jié)束時，樁壁溫度達到最低值，樁周溫度隨著距離的增加逐漸升高，在兩樁中間位置的地溫最高。

圖7 樁周橫向溫度場分布圖Fig. 7 Horizontal distribution of the ground temperature around the

測試成果顯示能源樁換熱過程中同時朝橫向和縱向傳熱，受巖土體中溫度梯度的影響，縱向傳熱主要表現(xiàn)在樁端部位，因而使得樁端溫度相對樁體其他部位的溫度存在差異，如圖8所示。在制熱結(jié)束時，樁頂和樁底截面的橫向溫度低于樁中間部位的橫向溫度；制冷結(jié)束時，樁頂和樁底截面的橫向溫度高于樁中間部位的橫向溫度；在地溫自然恢復(fù)階段，樁端橫向地溫恢復(fù)速率亦快于樁體其它部位，樁底地溫基本恢復(fù)到原始地溫。綜上，受縱向傳熱的影響，樁端熱擴散速率高于樁體中間部位。

圖8 測試樁不同部位橫向溫度場分布對比圖Fig. 8 Comparison of temperature with different distances to the energy piles in the

圖9 信息大廈雙樁并聯(lián)測試樁樁周橫向溫度場Fig. 9 Horizontal temperature field of two parallel connected energy piles in Xinxi

圖10給出了在制熱和制冷結(jié)束時，h=13 m處樁周溫度場模擬值與實測值的對比圖。在測試范圍內(nèi)的模擬值與實測值表現(xiàn)為較好的一致性，制熱時，在樁壁和兩樁中間位置的溫度相對誤差分別為1.7%和1.5%；制冷時，在樁壁和兩樁中間位置的溫度相對誤差分別為3.2%和1.8%。由于測試孔之間存在一定的距離，實測數(shù)據(jù)無法精確反應(yīng)測試孔之間的溫度場，而數(shù)值模擬成果可以計算任意位置點的溫度，可較好的彌補實測成果的這一缺陷。

圖10 樁周橫向溫度場模擬值與 實測值對比圖(h=13.0 m)Fig. 10 Comparison of simulated and measured temperature around the pile at depth of 13.0

以兩樁中心處的溫度為研究對象(0.9 m處)，對h=13 m處的溫度模擬值與實測值進行了對比，如圖11所示。受溫度傳播速率的影響，測試曲線在初期較為平緩，而后隨著時間的增加溫度逐漸上升或下降，溫度變化速率與時間近似呈線性關(guān)系，實測值與模擬值表現(xiàn)為較好的一致性，兩者的平均相對誤差小于2.2%。

圖11 兩樁中間點溫度場模擬值與實測值對比圖Fig. 11 Comparison of simulated and measured temperature in the middle of the two adjacent energy

3 樁周縱向溫度場分布特征

圖12給出了整個測試過程中1#樁、2#樁及雙樁中間位置(0.9 m處)的縱向溫度場。在初始階段，樁周溫度沿縱向基本一致，與地溫相同。在1#樁制熱過程中，樁壁溫度及周邊巖土體的溫度逐漸上升，受樁端縱向傳熱的影響，樁端溫度上升速率小于樁體中間區(qū)域，在制熱結(jié)束時，樁底與樁中間部位的溫差約1.8 ℃；在樁間巖土體中亦表現(xiàn)有相同的規(guī)律，溫差約0.9 ℃；2#測試樁受距離影響，在制熱過程中，溫度基本無變化。在地溫恢復(fù)過程中，樁端部位的地溫恢復(fù)速率亦快于樁中間區(qū)域，在恢復(fù)地溫結(jié)束時，樁端溫度最為接近初始地溫。在制冷時，樁周縱向溫度場表現(xiàn)與制熱工況相反的規(guī)律，樁端區(qū)域的溫度下降速率慢于樁中間部位；在制冷結(jié)束時，樁中間區(qū)域和樁底的溫差約-1.0 ℃，兩樁中間位置的溫差約-0.9 ℃。綜上，受能源樁運行時縱向傳熱的影響，樁端溫度上升或下降速率慢于樁體中間部位，因而在樁周巖土體內(nèi)產(chǎn)生了縱向的溫度差。根據(jù)這一結(jié)論，在布置能源樁埋管時，在樁端部位適當(dāng)加密地埋管，可以獲得更好的換熱效率。

圖12 樁周縱向溫度場分布圖Fig. 12 Vertical temperature distribution along the energy

圖13和圖14通過數(shù)值模擬分別給出了在制熱和制冷結(jié)束時，樁內(nèi)及樁周溫度場的分布圖。在樁壁部位的溫度始終最高(低)，而后向四周溫度逐漸下降(上升)；在樁體內(nèi)部溫度高于相同距離巖土體的溫度，主要原因在于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)高于巖土體且能源樁的截面十分有限；在整個熱(冷)響應(yīng)測試時間范圍內(nèi)，溫度的作用半徑均小于1.0 m，這與測試結(jié)果保持了一致性，也驗證了巖土體傳熱過程的緩慢性及能源樁運行過程中巖土體冷熱平衡的重要性。

圖13 制熱結(jié)束時的縱向溫度場(局部放大圖)Fig. 13 Vertical temperature distribution at the end of the heating period (Map

圖14 制冷結(jié)束時的縱向溫度場(局部放大圖)Fig. 14 Vertical temperature distribution at the end of the cooling period (Map

4 結(jié) 論

1)能源樁在制熱(冷)時，以能源樁樁壁為起點，樁周溫度場遠離樁壁呈拋物線下降(上升)，樁周任意點的溫度隨時間近似呈線性變化。

2)能源樁實際運行時，在樁周巖土體中表現(xiàn)為三維傳熱特性，樁周溫度場在縱向方向上存在差異。在制熱工況時，表現(xiàn)為樁體中間區(qū)域巖土體的溫度高且基本一致，而靠近樁端一定范圍內(nèi)的巖土體溫度相對較低，且越靠近樁端，溫度越低；在制冷時，樁周溫度場具有相反的規(guī)律。綜上，建議能源樁設(shè)計時在樁端區(qū)域適當(dāng)增加埋管量以提高換熱效率。

3)通過實測數(shù)據(jù)驗證了巖土體溫度擴散的緩慢性及其具有良好的熱儲性，在制熱結(jié)束并進行長時間的地溫恢復(fù)后，樁周巖土體溫度升高了約1 ℃，因制熱產(chǎn)生的熱量并未消散，而是積累在樁周巖土體中，造成了巖土體溫度的升高，預(yù)示了地源熱泵運行過程中存在冷熱失衡的可能性。

[1] BRANDL H. Energy foundations and other thermo-active ground structures [J]. Géotechnique, 2006, 56(2): 81-122.

[2] BRANDL H. Thermo-active ground-source structures for heating and cooling [J]. Procedia Engineering, 2013(2): 9-18.

[3] SARBU L, SEBARCHIEVICI C. General review of ground-source heat pump systems for heating and cooling of buildings[J]. Energy and Buildings， 2014， 70: 441-454.

[4] MORINO K, OKA T. Study on heat exchanged in soil by circulating water in a steel pile[J]. Energy and Buildings, 1994, 21(1): 65-78.

[5] 方肇洪,刁乃仁. 地埋管地源熱泵技術(shù)(精)[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.

FANG Z H, DIAO L R. Application research on buried ground-source heat pump technology[M].Beijing:Higher Education Press,2006.(in Chinese)

[6] BOSE J E. Design and installations standards[J]. International Ground Source Heat Pump Association, Stillwater, 1991,(3):22-25.

[7] 桂樹強，程曉輝，張志鵬. 地源熱泵樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能比較[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2013(3): 151-156.

GUI S Q, CHEN X H, ZHANG Z P. Comparative analysis of heat exchange performance of energy piles and borehole heat exchangers in GSHP system[J]. Journal of Civil,Architectural & Envirommental Engineering, 2013,35(3): 151-156.(in Chinese)

[8] 曾和義, 方肇洪. 雙U型埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱模型[J]. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2003(1): 11-17.

ZENG H Y, FANG Z H. A heat transfer model for double U-tube geothermal heat exchangers[J]. Journal of Shangdong Institute of Architecture and Engineering, 2003(1): 11-17.(in Chinese)

[9] 方肇洪, 刁乃仁, 曾和義. 地?zé)釗Q熱器的傳熱分析[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2004, 25(4): 685-687.

FANG Z H, DIAO L R, ZENG H Y. Heat transfer analysis of ground heat exchangers[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25(4): 685-687.(in Chinese)

[10] LALOUI L. Advances in energy piles analyses[J]. Mitteilungen der Geotechnik Schweiz Publication de la Geothechnique Suisse, 2010: 23.

[11] LIU X, LU S, HUGHES P,et al. A comparative study of the status of GSHP applications in the United States and China[J]. Renew Sust Energy Review, 2015, 48: 558-570.

[12] OOKA R, SEKINE K, MUTSUMI,et al. Development of a ground source heat pump system with ground heat exchanger utilizing the cast-in place concrete pile foundations of a building [J]. EcoStock, 2007(8):165-170.

[13] YASUHIRO H, HISASHI S, AKOTO N, et al.Field performance of an energy pile system for space heating[J].Energy and Buildings, 2007,39(5):517-524.

[14] GO G H, LEE S R, YOON S, et al. Design of spiral coil PHC energy pile considering effective borehole [J]. Appl Energy, 2014, 125: 165-78.

[15] DIERSCH H J G, BAUER D, HEIDEMANN W,et al. Finite element formulation for borehole heat exchangers in modeling geothermal heating systems by Feflow[J]. Wasy Software Feflow White Paper, 2010, 5: 5-96.

[16] LUO J, ROHN J, BAYER M,et al. Analysis on performance of borehole heat exchanger in a layered subsurface [J]. Applied Energy, 2014， 123: 55-65.

(編輯 胡玲)

National Natural Science Foundation of China (No．41502238).

Experimental analysis of ground temperature distribution of double-U type energy piles

Zhao Haifeng1,2, Tang Rongbin3,Gui Shuqiang1, Luo Jin2, Jia Jia2

(1.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, P.R. China;2.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074,P.R. China; 3. Faculty of Resources and Environmental Engineering Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430080,P.R. China)

Two double U-type buried tube energy piles in Xinyang region were investiguted. Long time TRT tests and temperature recovery-TPT test are conducted to simulate the operating state of energy piles under intermittent conditions. Sensors are prepared in the energy pile wall and soil, the distribution of temperature field during the operation of energy piles is measured.?The research results show energy piles in the operating process of heat transfer performs three-dimensional characteristics, the soil temperature in pile end position changes lag to the middle region of the pile body. It is hence suggested that the increace of the buried pipe in pile end position could increase energy pile heat exchange efficiency. The test results show the temperature of the soil around the pile is increased about 1 ℃ after temperature recovery about 25 days after the 172 h TRT, verifying the slow conduction and good heat storage of the rock and soil body. At the same time, the importance of the cold and heat imbalance of the ground source heat pump system is also predicted.

energy piles; double-U type tubes; temperature field; distribution characteristics

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.020

2016-03-09

國家自然科學(xué)基金(41502238)。

趙海豐(1983-)，男，高級工程師，博士，主要從事淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用及巖土工程研究，(E-mail)zhaohaifeng83@163.com。

TU473.1

A

1674-4764(2016)05-0157-07

Received:2016-03-09

Author brief：Zhao Haifeng (1983-),senior engineer,PhD,main research interest: development and utilization of shallow geothermal energy, design and research of geotechnical engineering, (E-mail)zhaohaifeng83@163.com.