螺旋型埋管能源樁樁內(nèi)溫度場分布特征及其影響因素分析

趙海豐, 桂樹強, 李 強，賈 甲

(1.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

螺旋型埋管能源樁樁內(nèi)溫度場分布特征及其影響因素分析

趙海豐1,2, 桂樹強1, 李 強1，賈 甲1

(1.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

針對能源樁樁內(nèi)溫度場分布特征開展了現(xiàn)場原位試驗，實測獲得了能源樁換熱過程中的樁壁和樁心溫度，以此為基礎結(jié)合數(shù)值模擬分析了能源樁的樁內(nèi)溫度場分布特征及其影響因素。分析結(jié)果表明：能源樁樁內(nèi)溫度溫升規(guī)律與地埋管進出口溫度變化規(guī)律一致，樁內(nèi)溫度場主要受地埋管進出口溫度控制；能源樁制熱(冷)時，以地埋管為起點，樁內(nèi)溫度遠離地埋管呈拋物線下降(上升)；影響能源樁樁內(nèi)溫度場分布特征的主要因素為回填材料導熱系數(shù)和樁徑，導熱系數(shù)越大，相同制熱時間時的樁內(nèi)溫度越高，且樁心溫度隨導熱系數(shù)的增加近似呈線性上升；樁徑越大，相同制熱時間時的樁內(nèi)溫度越低，樁內(nèi)溫度隨樁徑的增加近似呈等比例下降。該研究成果可為能源樁的推廣應用提供參考。

螺旋型埋管能源樁；溫度場分布特征；影響因素分析；原位試驗；數(shù)值模擬

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展和工業(yè)化的進展，環(huán)境污染和能源短缺日趨嚴重，已經(jīng)到了不得不解決的時候，而造成我國大氣污染和能源短缺的主要原因在于能源利用量巨大及利用結(jié)構(gòu)不合理[1]。我國90%的能源為煤炭和石油等對環(huán)境造成污染較嚴重的傳統(tǒng)能源，遠高于世界平均水平。據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗約占我國消耗總能耗的28%，而在建筑能耗中，暖通空調(diào)的能耗約占63%，由此可見，暖空空調(diào)所占能耗約為我國總能耗的18%，是節(jié)能潛力最大的領域之一[2]。地源熱泵系統(tǒng)作為一套清潔的能源利用系統(tǒng)，能夠有效地利用淺層地熱能制熱和制冷而達到降低能耗和保護環(huán)境的目的，目前正被廣泛推廣應用[3]。地下?lián)Q熱器是整個地源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成部分，目前多以鉆孔埋管作為地下?lián)Q熱器。能源樁采用樁基作為地下?lián)Q熱器，相比鉆孔埋管換熱器，能源樁節(jié)省了鉆孔費用，具有更好的經(jīng)濟性；能源樁較鉆孔埋管換熱器有更大的換熱截面,因而具有更好的換熱效率；此外，能源樁利用了樁基結(jié)構(gòu),因而節(jié)約了地下空間[4-5]。綜上所述能源樁具備眾多優(yōu)點，且樁基在工程建設中應用廣泛，因而能源樁具有良好的應用前景。

近年來，能源樁在國內(nèi)的應用呈快速發(fā)展的趨勢，但其應用中存在的2大問題，即能源樁的傳熱特征及換熱過程中對能源樁結(jié)構(gòu)安全的影響一直未得到較好的解決[2]。針對能源樁的傳熱特征，現(xiàn)有的研究主要從能源樁換熱過程中的溫度場及換熱性能2方面開展[6]，主要通過理論計算和數(shù)值模擬2種方式展開，其缺陷在于研究成果難以通過現(xiàn)場進行檢驗，因而存在一定的局限性。另外，與鉆孔埋管換熱器相比，能源樁樁徑較大，樁內(nèi)傳熱及樁體自身的熱儲能力對能源樁的樁內(nèi)溫度場具有較大的影響，目前對樁內(nèi)溫度場及其影響因素的研究尚十分有限。針對上述問題，本文在信陽地區(qū)開展了一項現(xiàn)場原位試驗，實測獲得了能源樁在運行過程中的樁內(nèi)溫度場，之后通過實測值驗證了數(shù)值模擬的合理性，結(jié)合數(shù)值模擬成果研究了能源樁的樁內(nèi)溫度場分布特征及其影響因素。本文探索了能源樁樁內(nèi)溫度場分布的一般規(guī)律，可為能源樁的推廣應用提供參考。

2 試驗方案及數(shù)值模擬方法

2.1 試驗工點所依托項目概況

本試驗所依托的建筑主體為信陽高鐵站站前廣場，為地下兩層建筑物。該項目占地總面積約3萬m2，建筑總面積為6萬m2，擬采用中央空調(diào)系統(tǒng)來滿足地下一層商業(yè)部分的夏季供冷與冬季供熱。本項目地源熱泵冷熱源系統(tǒng)的總冷負荷為7 200 kW，總熱負荷為2 400 kW。項目選用2臺高溫地源熱泵機組和2臺冷水機。

地埋換熱器系統(tǒng)采用樁基埋管與鉆孔埋管相結(jié)合的復合埋管方式，其中地埋管井數(shù)量為360口，地埋管換熱器采用de25的并聯(lián)雙U型管，豎直鉆孔埋管方式的鉆孔管徑為130 mm，鉆孔有效深度為100 m，埋管間距4.2 m×6 m。樁基埋管換熱器數(shù)量為1 000口，樁基均采用人工挖孔樁，樁徑800 mm，樁深12.0 m，樁基埋管采用螺旋型布管，管徑25 mm。

2.2 試驗布置及試驗過程

現(xiàn)場選擇一根能源樁為測試對象，樁徑800 mm，長12.0 m，測試樁采用螺旋型埋管，螺距300 mm，地埋管管徑25 mm，測試樁的總埋管量為80 m。

在測試樁的一側(cè)樁壁和中心分別設置1列BGK-3700型溫度傳感器，定義為Z1和Z2；在測試樁的另外3側(cè)樁壁設置BGK4200型振弦式應變傳感器(可同時測試溫度)，分別定義為Tε1，Tε2和Tε3；在樁外側(cè)的巖土體中布置4列溫度傳感器，間距425 mm，分別定義為Z3，Z4，Z5和Z6。每列溫度傳感器和應變傳感器沿深度方向布置3組，分別位于樁頂以下1.5，6.0，10.5 m處。位于樁壁的傳感器通過焊接的方式固定在鋼筋籠上，隨鋼筋籠埋設在能源樁中；非樁體上的傳感器采用鉆孔埋設。傳感器布置詳見圖1。

圖1 試驗傳感器布置Fig.1 Arrangement of sensors

2.3 樁內(nèi)溫度測試成果

在整個試驗過程中，對樁壁和樁心溫度進行了實時監(jiān)測，圖2給出了測試過程中樁心及樁壁溫度隨時間的關系曲線。

圖2 樁心與樁壁溫度實測成果(H=6.0 m)Fig.2 Measured results of temperature at pile core and pile wall(H=6.0 m)

2.4 數(shù)值模擬方法及模型

本文采用CFD方法對樁基埋管換熱器開展非穩(wěn)態(tài)流-固耦合的數(shù)值模擬分析，并與實測值進行對比分析，驗證數(shù)值模擬方法的正確性。由于能源樁的傳熱非常復雜，對數(shù)值模擬作如下基本假定：①假定螺旋埋管為等間距的線圈熱源[7]；②樁基周圍巖土體熱物性均勻；③忽略地下水流動，認為樁基與周圍巖土體的傳熱過程為熱傳導；④樁基內(nèi)鋼筋的熱物性與混凝土相同；⑤樁基周圍巖土體溫度均勻。模擬中換熱流體采用的模型為遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒以及湍流標準的k-ε模型[2,8]。

以B#螺旋型埋管能源樁為對象，選取6.0m深度作為計算剖面建立數(shù)值計算模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對樁基埋管換熱器進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 螺旋型埋管能源樁樁內(nèi)溫度場數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of temperature field in energy pile with buried spiral pipe

3 樁內(nèi)溫度場分布特征

能源樁在制熱或制冷過程中，以地埋管線圈熱源為起始點，向樁內(nèi)傳播熱量，由于熱源為一圓環(huán)，因而溫度場呈圓環(huán)形向樁內(nèi)傳播。圖4給出了在不同時刻樁溫度場的分布云圖，地埋管作為發(fā)熱源溫度始終最高，隨著遠離地埋管溫度逐漸下降，樁心溫度最低。

圖4 不同時刻樁內(nèi)溫度場分布云圖Fig.4 Temperature distribution in energy piles at different hours

圖5給出了樁心及樁壁溫度隨時間的關系曲線，在制熱開始階段的約1.5h內(nèi)，樁心溫度與初始地溫基本一致，該時間段內(nèi)因制熱產(chǎn)生的溫度尚未傳播到樁心；由于地埋管距離樁壁傳感器較近，樁壁溫度與地埋管幾乎同時升溫。隨后，樁心和樁壁溫度開始隨時間的增加呈拋物線升高，溫升速率表現(xiàn)為先快后慢，其溫升規(guī)律與地埋管進出口溫度具有一致性，由此可見，能源樁樁內(nèi)溫度主要受管內(nèi)循環(huán)液溫度的控制。

圖5 樁心及樁壁溫度隨時間的關系曲線Fig.5 Curves of temperature at pile core and pile wall vs. time

通過相對誤差分析，樁心溫度模擬值與實測值的最大溫度差約1.4 ℃，相對誤差約3.5%；樁壁溫度模擬值與實測值的最大溫差約5.3 ℃，相對誤差約12.5%。樁壁位置溫度模擬值與實測值的相對誤差遠大于樁心部位，分析原因是由計算模型的簡化和傳感器埋設位置的不同而造成的，數(shù)值模擬將螺旋型埋管等效為多個等間距的線圈，模擬值為緊鄰線圈熱源的樁壁溫度，要高于其他部位樁壁的溫度，而傳感器埋設于2個相鄰線圈熱源之間的樁壁，其距離線圈熱源的距離相對較遠，因而實測值小于模擬值且存在一定的誤差。由此可見，螺旋型埋管能源樁運行時，不同位置的樁壁溫度存在差異。

圖6給出不同時刻的樁內(nèi)溫度沿半徑方向的變化曲線。在制熱初始階段，以樁心為起點，溫度朝地埋管方向呈拋物線增加，溫升速率逐漸增加；隨時間不斷增加，樁心溫度與地埋管的溫度逐漸接近，達到一定時間后(測試時間為80h)，樁心溫度與地埋管溫度基本一致，兩者以相同的速率共同升高。從地埋管至樁壁段，溫度迅速下降，下降速率遠大于地埋管至樁心段的溫降速率，原因在于地埋管產(chǎn)生的溫度可向樁外無限遠處傳播，其溫度梯度遠大于樁內(nèi)溫度場。

圖6 不同時刻樁內(nèi)溫度隨半徑方向的變化曲線Fig.6 Curves of temperature in pile vs. radius at different hours

圖7 樁內(nèi)溫度影響半徑隨時間的關系曲線Fig.7 Distances affected by temperature in energy piles vs. time

根據(jù)不同時刻能源樁內(nèi)的溫度場分布情況，繪制樁內(nèi)溫度場作用半徑隨時間的關系曲線，見圖7。溫度傳播到樁心的時長約80min，溫度場作用半徑隨時間的增加呈拋物線增加，增加速率隨時間的推移逐漸減緩。

本文亦對制冷工況下能源樁樁內(nèi)溫度場進行了數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬及與實測成果的對比分析發(fā)現(xiàn)，在制冷工況下，能源樁樁內(nèi)溫度場與制熱時具有相同的規(guī)律，在此不再闡述。

4 樁內(nèi)溫度場影響因素分析

能源樁在傳熱過程中，樁內(nèi)溫度場主要受回填材料的導熱系數(shù)和樁徑的影響，以高鐵站螺旋型埋管能源樁為對象，分析回填材料導熱系數(shù)和樁徑對樁內(nèi)溫度場的影響。

4.1 回填材料導熱系數(shù)對樁內(nèi)溫度場的影響

根據(jù)建立的高鐵站螺旋型埋管能源樁數(shù)值模型，設置不同的回填材料導熱系數(shù)(λ=1.6～2.8 W/(m·K))，模擬能源樁的樁內(nèi)溫度場。圖8為t=30 h時，不同回填材料導熱系數(shù)的樁內(nèi)溫度場分布云圖。由圖8可知，回填材料導熱系數(shù)對樁內(nèi)溫度場影響較為明顯，導熱系數(shù)越大，溫度在樁內(nèi)的傳播速率越快，相應的樁內(nèi)溫度也越高。

圖8 不同回填材料導熱系數(shù)下的樁內(nèi)溫度場分布云圖(t=30 h)Fig.8 Temperature distribution in energy piles with different thermal conductivity of backfill materials (t=30 h)

圖9為t=30 h時，樁心溫度與樁內(nèi)回填材料導熱系數(shù)的關系曲線。由圖9可知，樁心溫度隨導熱系數(shù)的增加近似呈線性上升。

圖9 不同回填材料導熱系數(shù)下的樁心溫度(t=30 h)Fig.9 Temperature at the core of energy piles with different thermal conductivity of backfill materials (t=30 h)

圖10給出了在不同樁內(nèi)回填材料導熱系數(shù)下，樁內(nèi)溫度場隨半徑方向的分布曲線(t=30 h)。在不同導熱系數(shù)下，樁內(nèi)溫度場的規(guī)律基本一致，即樁內(nèi)溫度場從樁心開始，朝地埋管方向呈拋物線上升，其上升速率先慢后快，且導熱系數(shù)越大，樁內(nèi)溫度越高。

圖10 不同回填材料導熱系數(shù)下的樁內(nèi)溫度隨半徑方向的分布曲線(t=30 h)Fig.10 Curves of temperature in energy piles with radius under different thermal conductivity of backfill materials (t=30 h)

4.2 樁徑對樁內(nèi)溫度場的影響

以螺旋型埋管能源樁為研究對象，建立不同樁徑d(600～1 500 mm)的能源樁數(shù)值計算模型，研究樁徑對能源樁樁內(nèi)溫度場的影響。

圖11給出了t=30 h時不同樁徑能源樁的樁內(nèi)溫度場分布云圖。

圖11 不同樁徑能源樁樁內(nèi)溫度場分布云圖(t=30 h)Fig.11 Temperature distribution in energy piles of different diameters(t=30 h)

由圖11可知，樁徑越大，能源樁的儲熱能力越大，溫度傳播到樁心位置需要的時間越長，相應的樁內(nèi)溫度越低。

圖12給出了t=30 h時，樁心溫度與樁徑的關系曲線，樁心溫度隨樁徑的增加近似呈線性下降。

圖12 樁心溫度與樁徑的關系曲線(t=30 h)Fig.12 Relationship between temperature at pile core and pile diameter (t=30 h)

圖13為不同樁徑能源樁樁內(nèi)影響半徑隨時間的關系曲線。

圖13 不同樁徑能源樁影響半徑隨時間的關系曲線Fig．13 Curvesofdistanceaffectedbytemperaturevs．timeforpilesofdifferentdiameters

由圖13可知，樁內(nèi)溫度場的影響半徑隨時間呈拋物線上升，樁徑越大，傳播到樁心所需的時間越長。

根據(jù)不同樁徑條件下的傳播速率計算成果，溫度場傳播到樁心的時間與樁徑近似呈線性關系，其關系曲線的函數(shù)表達式為

(1)

式中t為溫度傳播到樁心所用的時間(h)。

圖14 不同樁徑能源樁樁內(nèi)溫度隨半徑的分布曲線(t=30 h)Fig.14 Curves of temperature in piles of different diameters vs. radius(t=30 h)

圖14為t=30 h時，不同樁徑能源樁樁內(nèi)溫度場隨半徑的分布曲線。在相同制熱時間時，樁內(nèi)溫度以地埋管為起點，向樁心方向呈拋物線下降，且溫降速率逐漸減小。樁徑越大，相應的樁內(nèi)溫度越低；隨著樁徑的增加，樁內(nèi)溫度場近似呈等比例下降。

5 結(jié) 論

本文采用現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬等方法研究了能源樁的樁內(nèi)溫度場分布特征及其影響因素。主要得出了以下結(jié)論：

(1) 能源樁在制熱時，樁內(nèi)任意點的溫升規(guī)律與地埋管進、出口溫度變化規(guī)律基本一致，由此可見，樁內(nèi)溫度場主要受循環(huán)液的溫度控制。

(2) 制熱工況時，以地埋管為起點，能源樁樁內(nèi)溫度場呈拋物線下降，下降速率表現(xiàn)為先快后慢，溫度最低點位于樁心。

(3) 在相同熱流密度下，能源樁樁內(nèi)溫度場主要受回填材料導熱系數(shù)和樁徑的影響：導熱系數(shù)越大，溫度在樁內(nèi)傳播速率越快，相應的樁內(nèi)溫度也越高，在相同制熱時間時，樁心溫度隨導熱系數(shù)的增加近似呈線性上升；樁徑越大，能源樁的熱儲能力越大，溫度傳播到樁心位置需要的時間越長，相應的樁內(nèi)溫度越低，在相同制熱時間時，樁心溫度隨樁徑的增加近似呈線性下降，樁內(nèi)溫度場近似呈等比例下降。

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(編輯：劉運飛)

Temperature Field Distribution in Energy Pile with Buried Spiral Pipe:Characteristics and Influence Factors

ZHAO Hai-feng1,2, GUI Shu-qiang1, LI Qiang1, JIA Jia1

(1.Three Gorges Geotechnical Surveying Co., Ltd., Wuhan 430074, China; 2.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China )

In the present research, the characteristics and influence factors of temperature field distribution in energy piles with buried spiral pipe were investigated by numerical means based on field prototype tests on temperature field distribution in energy piles as well as measured values of temperatures at pile wall and pile core during heat exchange. Results reveal that the regularity of temperature rise in energy pile is consistent with temperature variation at the inlet and outlet of buried pipe, which suggest that temperature field in energy pile is mainly dominated by temperature at the inlet and outlet of buried pipe. When energy pile is heated or refrigerated, temperature in pile declines or rises in a parabola along the way of the buried pipe. Moreover, the conductivity coefficient of backfill material and the pile diameter are two main factors affecting the temperature field distribution in energy pile. As conductivity coefficient increases, the temperature in pile rises at given heat durations; and in particular, temperature at the core of pile rises linearly. As pile diameter increases, the temperature in pile declines in equal proportion at given heat durations. The research results could be taken as reference for the promotion of energy piles.

energy pile with buried spiral pipe; temperature field distribution; influence factors; prototype test; numerical simulation

2016-02-09 ；

2016-04-07

國家自然科學基金項目(41502238)；中央高校杰出人才培育基金項目(CUGL150819)

趙海豐(1983-)，男，湖北武漢人，高級工程師，博士，主要從事淺層地熱能開發(fā)利用及巖土工程設計、科研工作，(電話)13163239121(電子信箱)zhaohaifeng83@163.com。

10.11988/ckyyb.20160160

2017,34(8):153-158

TU473.1

A

1001-5485(2017)08-0153-06