雙U型埋管能源樁樁周巖土體溫度場(chǎng)分布特征試驗(yàn)研究

趙海豐 唐榮彬 桂樹(shù)強(qiáng) 駱進(jìn) 賈甲

摘 要：以信陽(yáng)地區(qū)兩根相鄰的雙U型埋管能源樁為研究對(duì)象，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的TRT增溫測(cè)試地溫恢復(fù)TPT制冷測(cè)試模擬了能源樁的間歇性運(yùn)行狀態(tài)，在能源樁樁壁和巖土體中埋設(shè)傳感器實(shí)測(cè)獲得了能源樁運(yùn)行過(guò)程中的樁周巖土體溫度場(chǎng)分布。研究成果顯示，能源樁運(yùn)行過(guò)程中的傳熱表現(xiàn)為三維傳熱特征，樁端巖土體的溫度變化滯后于樁體中間區(qū)域巖土體，建議能源樁設(shè)計(jì)時(shí)在樁端部位適當(dāng)增加埋管量，以提高能源樁的換熱效率；測(cè)試結(jié)果顯示在經(jīng)過(guò)172 h的TRT測(cè)試并進(jìn)行約25 d的地溫恢復(fù)后，樁周巖土體溫度整體升高了約1 ℃，驗(yàn)證了巖土體溫度擴(kuò)散的緩慢性及其具有良好的熱儲(chǔ)性，同時(shí)也預(yù)示了地源熱泵運(yùn)行過(guò)程中存在冷熱失衡的可能性。

關(guān)鍵詞：能源樁；雙U型埋管；溫度場(chǎng)；分布特征

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-4764（2016）05-0157-07

Abstract：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.

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

能源樁利用樁基（建筑樁基、基坑圍護(hù)樁、CFG樁等）進(jìn)行熱交換，在能源樁制熱時(shí)，熱量向四周傳播而造成巖土體溫度升高，制冷時(shí)則造成周邊巖土體溫度降低[1-3]。周期性運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行，當(dāng)能源樁的冷熱負(fù)荷不平衡時(shí)，在周期性運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)造成巖土體溫度的升高或下降，進(jìn)而降低能源樁的運(yùn)行效率[4-6]。因而，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析能源樁周邊的溫度場(chǎng)分布特征，對(duì)研究能源樁的布置及運(yùn)行效率有重要意義。目前，針對(duì)能源樁傳熱過(guò)程中周邊巖土體溫度場(chǎng)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(jìn)而進(jìn)行了大量的理論計(jì)算和數(shù)值模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析[6-14]。其主要缺點(diǎn)在于缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，難以檢驗(yàn)計(jì)算溫度場(chǎng)的正確性及數(shù)值模擬的合理性。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，在河南省信陽(yáng)地區(qū)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，選擇了兩根相鄰的雙U型埋管能源樁，通過(guò)TRT測(cè)試（172 h）-地溫恢復(fù)（598 h）-TPT測(cè)試（142 h）模擬能源樁的實(shí)際運(yùn)行工況，在樁周和樁壁埋設(shè)傳感器監(jiān)測(cè)了整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的樁周溫度，較為系統(tǒng)地研究了能源樁運(yùn)行過(guò)程中的樁周溫度場(chǎng)分布特征，為指導(dǎo)能源樁設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及數(shù)值模擬方法

1.1 試驗(yàn)工點(diǎn)所依托項(xiàng)目概況

試驗(yàn)所依托的建筑主體為信陽(yáng)宋基產(chǎn)業(yè)物流園信息大廈，該項(xiàng)目位于信陽(yáng)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(lái)滿足商業(yè)部分（除地下車庫(kù)）的夏季供冷與冬季供熱。項(xiàng)目地源熱泵冷熱源系統(tǒng)的總熱負(fù)荷為2 181 kW，總冷負(fù)荷為2 183 kW，選用2臺(tái)高溫地源熱泵機(jī)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(duì)鉆孔埋管設(shè)置兩組集分水器，對(duì)樁基埋管設(shè)置一組集分水器。

1.2 試驗(yàn)工點(diǎn)基本地質(zhì)條件

試驗(yàn)工點(diǎn)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(jì)沉積，下層為第三紀(jì)沉積；泥質(zhì)粉砂巖為白堊紀(jì)沉積形成，上層為強(qiáng)風(fēng)化層，下層為中風(fēng)化層。地層典型斷面圖如圖2所示。

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(bǔ)給來(lái)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(diǎn)狀、片狀分布，水量不大。

1.3 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試樁選擇一四樁承臺(tái)（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(yàn)對(duì)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(cè)試樁直徑600 mm，樁長(zhǎng)18.5 m，兩樁間距1.8 m。在兩根試驗(yàn)樁的最外側(cè)且靠近另外一根樁部位布設(shè)一組共4個(gè)應(yīng)變傳感器（可同時(shí)測(cè)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(gè)，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(guò)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(yàn)布置如圖3所示。

能源樁熱響應(yīng)試驗(yàn)采用TRT法（恒熱流法），冷響應(yīng)試驗(yàn)采用TPT法（恒溫法）?，F(xiàn)場(chǎng)熱（冷）響應(yīng)測(cè)試儀采用清華大學(xué)研制的自動(dòng)化巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀，測(cè)試過(guò)程為首先對(duì)1#樁進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試172 h，然后間隔598 h，待地溫恢復(fù)后再對(duì)雙樁并聯(lián)進(jìn)行冷響應(yīng)測(cè)試142 h。整個(gè)測(cè)試過(guò)程于4月20日—5月30日之間完成，測(cè)試管內(nèi)循環(huán)液流速為0.8 m/s，TRT測(cè)試的加熱功率為5 kW，TPT測(cè)試的進(jìn)口水溫設(shè)定為5 ℃。在試驗(yàn)過(guò)程中，每隔5 min自動(dòng)采集進(jìn)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(dòng)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(cè)試成果

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

1.5 數(shù)值模擬方法及驗(yàn)證

采用數(shù)值模擬軟件FEFLOW 6.0X建立了實(shí)際尺寸的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)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(duì)地埋管所在區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，通過(guò)一維離散元模擬流體在管道中的流動(dòng)[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。

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

2 樁周橫向溫度場(chǎng)分布特征

圖7給出了在不同時(shí)刻樁周溫度場(chǎng)的分布圖（t=0 h：初始地溫場(chǎng)；t=172 h：熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)束時(shí)；t=200 h：地溫恢復(fù)階段；t=762 h：地溫恢復(fù)結(jié)束時(shí)；t=904 h：冷響應(yīng)測(cè)試結(jié)束時(shí)）。在t=0 h時(shí)，樁周為自然地溫場(chǎng)，樁周溫度與地溫基本一致。在對(duì)1#樁制熱過(guò)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(shí)間的增加，溫度場(chǎng)擴(kuò)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(guò)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(shí)，因制熱產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步向周邊巖土體擴(kuò)散，溫度場(chǎng)影響半徑逐漸變大，在t=762 h地溫恢復(fù)結(jié)束時(shí)，樁周溫度基本恢復(fù)一致，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度基本相同，但地溫略高于初始地溫場(chǎng)，平均溫差約1 ℃，驗(yàn)證了巖土體中溫度的擴(kuò)散是一個(gè)緩慢的過(guò)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(cè)試結(jié)束時(shí)，樁壁溫度達(dá)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。

測(cè)試成果顯示能源樁換熱過(guò)程中同時(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(kuò)散速率高于樁體中間部位。

通過(guò)2.4節(jié)建立的數(shù)值模型模擬了整個(gè)制熱地溫恢復(fù)制冷的傳熱過(guò)程，如圖9所示。以h=13 m處為研究對(duì)象，在對(duì)1#樁制熱時(shí)，樁壁溫度最高，隨著距離的增加溫度逐漸下降，且隨著時(shí)間的增加溫度場(chǎng)影響范圍逐漸擴(kuò)大。在經(jīng)過(guò)598 h地溫恢復(fù)后進(jìn)行雙樁并聯(lián)冷響應(yīng)測(cè)試，在制冷結(jié)束時(shí)，1#樁的溫度場(chǎng)影響范圍小于2#樁，主要原因在于1#樁在冷響應(yīng)之前進(jìn)行了熱響應(yīng)測(cè)試，雖然進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的地溫恢復(fù)，但其地溫仍然高于2#樁樁周的地溫。通過(guò)進(jìn)口水溫?cái)?shù)值模擬成果顯示，在制冷時(shí)1#樁的出口水溫比2#樁的出口水溫高0.2 ℃；根據(jù)圖6的測(cè)試成果，在制冷測(cè)試結(jié)束時(shí)，1#樁的樁壁平均溫度亦比2#樁的樁壁溫度高0.25 ℃，這與實(shí)測(cè)值亦較為一致。

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

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

3 樁周縱向溫度場(chǎng)分布特征

圖12給出了整個(gè)測(cè)試過(guò)程中1#樁、2#樁及雙樁中間位置（0.9 m處）的縱向溫度場(chǎng)。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(guò)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(shí)，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(cè)試樁受距離影響，在制熱過(guò)程中，溫度基本無(wú)變化。在地溫恢復(fù)過(guò)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(shí)，樁端溫度最為接近初始地溫。在制冷時(shí)，樁周縱向溫度場(chǎng)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(shí)，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(yùn)行時(shí)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(shí)，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13和圖14通過(guò)數(shù)值模擬分別給出了在制熱和制冷結(jié)束時(shí)，樁內(nèi)及樁周溫度場(chǎng)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(gè)熱（冷）響應(yīng)測(cè)試時(shí)間范圍內(nèi)，溫度的作用半徑均小于1.0 m，這與測(cè)試結(jié)果保持了一致性，也驗(yàn)證了巖土體傳熱過(guò)程的緩慢性及能源樁運(yùn)行過(guò)程中巖土體冷熱平衡的重要性。

4 結(jié) 論

在信陽(yáng)地區(qū)選擇了兩根能源樁，進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的TRT測(cè)試地溫恢復(fù)TPT測(cè)試模擬能源樁的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試，獲得了樁周巖土體的溫度場(chǎng)分布特征。

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

2）能源樁實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在樁周巖土體中表現(xiàn)為三維傳熱特性，樁周溫度場(chǎng)在縱向方向上存在差異。在制熱工況時(shí)，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(duì)較低，且越靠近樁端，溫度越低；在制冷時(shí)，樁周溫度場(chǎng)具有相反的規(guī)律。綜上，建議能源樁設(shè)計(jì)時(shí)在樁端區(qū)域適當(dāng)增加埋管量以提高換熱效率。

3）通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了巖土體溫度擴(kuò)散的緩慢性及其具有良好的熱儲(chǔ)性，在制熱結(jié)束并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(yùn)行過(guò)程中存在冷熱失衡的可能性。

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（編輯 胡玲）