淺談能量樁換熱影響因素

張立軍 顏 萍

（1、吉林省南北建筑工程有限公司，吉林 長春130000 2、吉林建筑大學(xué)，吉林 長春130000）

與傳統(tǒng)地源熱泵鉆孔埋管技術(shù)相比，能量樁技術(shù)即不需要復(fù)雜的鉆孔工藝，還縮小了地下空間的應(yīng)用，同時不存在管內(nèi)液體泄漏到土壤導(dǎo)致環(huán)境污染的問題。目前我國已建有能量樁技術(shù)的建筑，依據(jù)地下空間環(huán)境的不同，如土壤類別、含水率、樁身大小及熱物性、是否存在地下水的流動，能量樁換熱效率也受到不同程度的影響。

1 土壤類別對能量樁換熱的影響

土壤作為一種有限的資源。根據(jù)土壤質(zhì)地，土壤分為沙土、壤土、粘土。沙土顆粒間孔隙大，透水性好；粘土土質(zhì)粘重，保水性好；壤土的性質(zhì)則介于沙土與粘土之間。能量樁埋在地下土壤中，樁身垂直方向上不同埋深情況下，土壤分層土壤性質(zhì)不一致時，樁身換熱效率受到一定程度影響，這就導(dǎo)致樁身在不同埋深換熱量存在差異。

根據(jù)洪偉[1]等人的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)考慮樁周圍土體為黏土砂土和巖石時，能量樁單位長度換熱量大小依次為巖石>沙土>粘土。這是由于巖石導(dǎo)熱系數(shù)最大，因而能量樁單位長度換熱量最高。

2 樁身尺寸和回填材料對能量樁換熱的影響

能量裝技術(shù)采取地下淺層地?zé)崮埽瑢崿F(xiàn)樁身熱量與其周圍土壤熱量的相互傳遞，不同的樁身尺寸將對能量樁與土體之間的熱交換作用產(chǎn)生不同程度的影響，現(xiàn)有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)能量樁樁- 土體間換熱量與樁長成反比，與樁徑成正比[2]，樁長越小樁徑越大，其換熱量越高。

能量樁主要由換熱管和回填材料構(gòu)成，回填材料由水泥膠凝材料、集料等組成。不同配合比的回填材料對能量樁力學(xué)性能和傳熱性能存在一定程度的影響，有學(xué)者[2-3]就回填材料配合比問題展開研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)回填材料加入鋼纖維時，配置出不同材料配合比的回填材料可得到最優(yōu)材料配合比，見表1[7]。根據(jù)最優(yōu)材料配合，并制作能量樁，在保證能量樁力學(xué)結(jié)構(gòu)情況下，還可以有效提高樁身導(dǎo)熱系數(shù)，從而增加了能量樁與周圍土壤的換熱量。

3 埋管形式和循環(huán)夜流速對能量樁換熱的影響

能量樁埋管形式沿用了傳統(tǒng)地源熱泵垂直埋管換熱器方式：U 形，W 形，螺旋形等。趙嵩穎[4、8]等人建立能量樁數(shù)值模型，模擬在W、U、并聯(lián)雙U 形三種不同的埋管方式下，如圖1 所示，能量樁周圍土壤溫度場分布得出結(jié)論，并聯(lián)雙U 形埋管對土壤溫度變化影響最大，如圖2 所示。

張爽[5]和陳忠購[6]建立U 形樁基埋管換熱器，探究埋管形式和循環(huán)夜流速對能量樁的換熱性能影響，張爽等人得出結(jié)論：與單U 形以及W 形埋管形式相比，并聯(lián)雙U 形對樁基埋管換熱器換熱的影響較顯著，管內(nèi)循環(huán)夜流速不同，能量樁換熱量差別不大。陳忠購等人則得出結(jié)論：能量樁換熱效率隨埋管數(shù)量增加而提高；若埋管數(shù)量一定，樁內(nèi)所有U 形管的支管等間距布置能量樁的換熱效率最高；U 形管進(jìn)出水支管的布置順序?qū)δ芰繕兜膿Q熱效率影響很??；若循環(huán)液流動速度保持不變，增加埋管直徑能增大能量樁的換熱效率，見圖3[2]。

因建筑物能耗需求，能量樁運(yùn)行過程中，冬季向土體吸取熱量，夏季向土體釋放熱量。但是，周期性運(yùn)行時，間歇時間長短不一，吸取熱量與釋放熱量若不平衡，就會造成土體溫度的升高或下降，進(jìn)而影響能量樁的換熱效率。任連偉開展了微型鋼管群樁的現(xiàn)場試驗，研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)溫度次數(shù)增加，能量樁換熱效率降低；間歇時間越長，能量樁換熱效率越高。宋懷博等對砂土地基中能量樁的研究發(fā)現(xiàn)，相同的條件，制熱模式下能量樁影響周圍土體的范圍大于制冷模式；且制熱效果低于制冷效果?？梢钥闯觯谥茻峁r下有效轉(zhuǎn)移能量樁周圍土體熱量，對于提高能量樁換熱效率有幫助[9]。

圖1 換熱管埋設(shè)方式圖

4 能量樁預(yù)期發(fā)展前景

圖2 不同埋管形式換熱性能比較圖

圖3 樁直徑不同儲熱后溫度分布圖

近年來，可再生能源開發(fā)利用日益受到重視，因其具有清潔、高效，穩(wěn)定、安全等優(yōu)勢，在供暖制冷方面淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用尤為突出。積極探索控制地下水最佳滲流速度，高效采取淺層地?zé)崮苡糜诮ㄖ┡评?，為提高能量樁換熱效率蓄力。如何提高能量樁高效換熱效率將成為未來的研究方向。