能量桩换热性能及工程应用研究.docx

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1、能量桩是将换热管道埋入建筑桩基中，替代传统意义上的钻孔埋管换热器的技术。作为地源热泵系统的一种新型埋管形式，过去20年已在世界各地得到一定的应用和发展，目前国内尚处于初步应用阶段，相关的应用和研究较少。1、能量桩的应用和研究概况由于能量桩换热过程的复杂性，最初多数学者采用数值模拟方法研究能量桩换热效率。MorinoK是桩埋管换热器的倡导者，他针对采用U型埋管换热器桩基的传热性能，应用有限差分法进行了模拟分析。1a1oUi等提出热交换桩数值模型，应用有限元方法模拟热交换桩在运行过程中流固耦合的复杂行为。1ee等基于有限差分法模拟分析单U型能量桩，发现分析结果与线热源模型接近。GashtiEHN等

2、针对能量桩在冬季和夏季时不同部位的温度变化，建立三维数值模型，并进行了分析。MehriziA等针对能量桩埋管形式不同的影响进行数值模拟分析，发现U型和W型的能量桩换热性能均不如6W型。李新国等针对能量桩与钻孔埋管换热器的换热性能进行数值模拟对比，发现采用U型埋管的能量桩比钻孔埋管的换热性能更好。王蕊等针对螺旋型埋管的能量桩，基于二维非稳态导热模型，分析了其换热性能受桩长、螺距、土体初始温度场等因素的影响。赵春凤等针对单U型桩基埋管进行模拟分析，发现换热量增长较快时所对应的水流速度为0.r0.3ms0刘汉龙等开展模型试验和数值模拟研究单U型预埋钢管能量桩的传热性能，并与传统单U型能量桩的模型实验

3、结果进行了对比分析。在数值模拟中，学者多着眼于构建能量桩的物理模型，而对桩基外土体相关参数的设置考虑较简略，所作假设也偏理想化；对能量桩工况的分析也多以夏季工况为主，对冬、夏季工况细节方面的对比和差异尚无文献提及。本文针对能量桩的传热问题，考虑桩基外土体温度场变化，建立与实际接近的三维模型，对其在夏季和冬季工况下的换热性能进行对比研究，并分析其在实际工程应用中的冷热负荷情况。2、数值模型2.1 简化与分析假定能量桩的换热过程本质上是复杂的非稳态传热过程，对其进行三维数值模拟时需加以适当简化，采用的基本假设为：（1）忽略土体与桩身、桩内部与管道之间的接触热阻；（2）在换热过程中，桩基、土体、管道

4、及循环液（水）的热物性参数保持不变；（3）土体被划分为多层，且每层土体的性质均匀一致。2.2 模型建立与网格划分根据能量桩的实际尺寸，对其进行适当简化，建立有限元模型（图1）。该模型由桩周土体、桩基、管道、水四部分组成。其中土体为圆柱体，其半径和高度分别为3m和43m,桩为埋设在土体中的圆柱体，桩径和桩长分别为1m和40m。管道沿竖直方向呈U形布置，管外径和内径分别为32mm和27mm,管最大埋深取39m0网格划分时遵循由上到下、由内而外、线面体逐次划分的顺序。沿桩身轴向设置网格时，桩、土体、管壁和水的网格密度相同；而沿桩身径向设置网格时，考虑到模拟分析过程中，管道内部的流场及附近温度场受热交

5、换的影响大，管道附近的网格较密，远离管道的土体部分网格逐渐变疏。2.3 区域条件设置(1)入口水温：夏季工况，入口水温为35C；冬季工况下，入口水温为5;(2)流速：冬、夏季工况下入口流速均设置为0.4m/s；(3)出口：出口回流比设置为1；(4)模型边界：土体的顶面设置绝热壁面边界，土体的周边及底面均设置恒温边界；(5)土体温度场：根据实际情况，对模型进行温度分层处理，以提高计算的准确性。2.4 数值模型验证为验证该数值模型的合理性，对比本文的数值模拟结果与现场试验结果。数值模型中桩基结构参数及运行参数的设置，与对比的现场试验模型一致。现场试验需进行数小时以上以达到系统运行稳定。一般认为，满

6、足每小时出口水温变化小于0.05C的条件即可。通过对比出口水温与单位桩长换热量验证数值模型。试验所测出口水温为304.56K,单位桩长换热量为58w/m；数值模拟所得出口水温为305.01K,单位桩长换热量为55.63wm0单位桩长换热量的模拟值与试验值相比，误差为4.1%,产生误差的主要原因是数值模拟中忽略了土体、地下水非均质等实际工程情况的影响。3、冬、夏工况下能量桩换热性能分析换热量和换热效率是能量桩实际应用中主要关注的性能。本研究采用单位桩长换热量q、进出口温差AT、换热效率n、总换热量Q等作为能量桩换热性能的评价指标。针对冬、夏两种工况，采用上述模型进行数值模拟分析，得到能量桩的各项

7、换热性能指标随运行时间的变化曲线如图2、图5所示。180-505101520253035404550r1图2单位桩长换热量q随运行时间t的变化8son -5O5101520253035404550t/h0.0160.0140.0120.010图4换热效率q随运行时间t的变化由图2、图5可知，随运行时间增加，能量桩各项换热性能前期呈快速下降，其后缓慢降低并趋向稳定状态。在夏季工况下，能量桩在运行15h时出现明显的拐点，而冬季工况下在运行45h时才出现拐点，这是由于夏季工况下能量桩系统的换热效率高于冬季，较冬季工况提前达到了相对平衡状态。当系统连续运行8h,16h,24h时，能量桩夏季工况下总换热

8、量比冬季工况下总换热量分别高出43.6%,45.9%,46.0%。4、工程应用某商业综合体项目平面为135m94m,建筑总面积约3.8万行，为阶梯式框架结构，最高7层，最低3层，层高约5.2m,该项目基础设计采用396根0.8m钻孔灌注桩，有效桩长为39m,桩端进入粉砂持力层深度4m04.1 数值模拟结果夏季工况时，设定入口水温为35,冬季工况时设定入口水温为5C。循环水流速采用04m/s。该工程冬季和夏季两种工况下，单个能量桩的总换热量随运行时间的变化如图6所示。4.24.3 冷热负荷计算该工程所设计的热负荷Q热二4025.34kW,冷负荷Q冷=5143.49k肌水源热泵机组的设计参数，制热

9、系数COP取4.6,制冷系数EER取5.5。该工程的单桩或全部桩设计为能量桩时，夏季和冬季连续运行不同时间时承担的负荷比见表1、表2。表1能量桩承担的负荷比（夏季工况）%能量桩数量单根396根8h0.19175.6不同运行12h0.17067.3时间的160.15862.6负荷比20h0.15159.824h0.14557.4表2能量桩承担的负荷比（冬季工况）%能量桩数量单根396根8h0.17167.7不同运行12h0.15159.8时间的16h0.14055.4负荷比20h0.13352.724h0.12850.7由表1和表2可看出，两种工况下能量桩连续运行不同时间，单根能量桩所能承担的负

10、荷比不超过0.2%。而当全部桩基兼做能量桩使用时，两种工况下运行不同时间所能承担的负荷比均超过了50%o当全部桩基兼做能量桩使用时，随着运行时间不断增加，能量桩所能承担的负荷比逐渐降低并趋于稳定，冬季工况下能量桩所能承担的负荷比略低于夏季。5、结束语本文采用数值模拟方法研究能量桩换热性能的变化规律，并结合实际工程应用，分析能量桩所承担的冷热负荷情况，主要结论如下。(1)能量桩的换热性能随连续运行时间的增加逐渐降低并趋向于稳态。(2)冬、夏两种工况下，能量桩各换热性能指标变化规律相近。(3)相同运行条件下，能量桩在夏季工况下的换热效率高于冬季。(4)在实际工程应用中，虽然单根能量桩所承担的负荷较小，但当全部桩基用作能量桩时，在冬、夏工况下可承担的最大负荷比均超过50%,效益可观。