地源热泵桩基螺旋埋管传热性能的数值模拟分析

李　涛　吴春材（.四川华成辉宇建筑设计有限公司　成都　60000；.中广电广播电影电视设计研究院　北京　00000）



地源热泵桩基螺旋埋管传热性能的数值模拟分析

李涛1吴春材2
（1.四川华成辉宇建筑设计有限公司成都610000；2.中广电广播电影电视设计研究院北京100000）

【摘要】对地源热泵桩基埋管的传热性能进行了数值研究。以螺旋桩基埋管作为研究对象，采用CFD软件进行模型建立及数值求解，对埋管内水温特性、土壤及桩基内的传热特性进行了分析。结果表明，不同运行模式下，埋管内水温沿埋管长度方向呈线性下降且出口水温均随运行时间而缓慢增长；对于短时间歇运行模式，埋管向桩基的排热量大于土壤排热量，运行时间内，土壤及桩基温升均满足规范要求，不会对其结构特性产生影响。

【关键词】地源热泵；桩基螺旋埋管；数值计算；传热特性

作者（通讯作者）简介：李涛（1979.10-），男，研究生，工程师，E-mail：76400336@qq.com

0　引言

土壤源热泵技术作为建筑节能的重要技术手段之一，也是一种利用低品位的能源加以提升后得到的绿色环保、可再生能源的可持续发展技术，在世界各国均得到了一定程度的应用[1,2]。地埋管传热强化是地源热泵研究的核心问题[8]，土壤源热泵的埋管传统形式目前主要有水平式及垂直式，其中水平埋管由于埋深浅，其换热效果受封表面及太阳辐射的影响较大，存在不稳定性，且水平铺设的换热器占地面积大；垂直形式可以很好的解决占地面积及换热效果等问题，但其初投资高，施工难度大。同时，传统埋管形式在施工过程中会对环境造成不同程度的负面影响，如机械作业生产的扬尘、噪声等等，因此目前常见的地埋管形式均存在一定的施工、技术缺陷。为了解决传统埋管换热器存在的问题，逐渐有工程开始桩基螺旋埋管形式。桩基螺旋埋管，即在建筑桩基内安装布置螺旋形式的换热器，和其他埋管方式相比，桩埋管土壤源热泵系统可以充分利用建筑物的面积，通过桩基与周围大地形成换热，可省去大量的钻孔和埋管费用，大大提高施工效率，施工也极为方便快捷。这将为土壤源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景，也是目前和今后的一个新的研究热点。

虽然桩基螺旋埋管克服了初投资、占地等诸多难题，但其埋管密集的布置在桩基内部，换热空间较小，造成其单位长度埋管的换热效果较传统换热器差，同时传热过程会影响桩基及桩基周围土壤的温度，对桩基结构产生潜在影响。目前对于该形式地埋管换热器在国内外的研究较少，人们无法详细获得其传热过程及周围土壤温度的变化，因此本文采用数值方法，对桩基埋管的传热过程进行系统计算，获得基本的传热规律，为桩基埋管的工程应用提供基础。

1　桩基埋管的基本形式

目前，在国内外的桩基埋管土壤源热泵系统应用中，桩基埋管还是延用钻孔埋管的U型或W型的布管技术[3]，主要采用了下列几种形式（如图1）：单U型、W型、并联双U型、并联三U型和螺旋型。但是，采用U型和W型的管路配置存在明显的缺点，即桩中埋管的传热面积少、管子顶部容易集气使管路堵塞[4,5]。螺旋管的换热系数比直管的高、在相同空间里可布置更大的传热面积、更具有安全性的特性，同时垂直螺旋盘管占地面积小，换热性能优越，很大程度可避免“热短路”现象，因此本文只对螺旋埋管进行计算分析[5]（如图2）。

图1　桩基埋管的不同布置形式Fig.1 The System of Pile Heat Exchanger in Ground Source Heat Pump

图2　地源热泵螺旋埋管系统形式Fig.2 The System Of Pile Spiral Pipe Heat Exchanger in Ground Source Heat Pump

2　模型建立

本文采用数值方法对桩基埋管的换热性能进行分析。模型包括桩基孔、外部土壤、螺旋埋管，其中桩基孔为直径2.2m、高度2m的圆柱体，外部土壤包裹在桩基孔外部，埋管的公称直径为DN25（内径20.4mm），埋管的螺旋半径为1m、螺距为0.1m，螺旋总高度为1.6m，埋管总长度为100m。数值计算过程中的控制方程包括连续性方程、动量方程及能量方程，分别如下：

回填材料及土壤内导热方程：

埋管材料内的导热方程：

埋管内流体对流换热控制方程：

管内流体热平衡方程：

其中，x，y，z为导热区域内的坐标，m；τ为运行时间，s；t(τ,x,y,z)为τ时刻坐标为(x,y,z)点的温度，℃；a为地层材料的热扩散系数，m2/s；ap为埋管材料的热扩散系数，m2/s；λ为埋管材料的导热系数，W/(m·℃)；h为埋管内流体与壁面的对流换热系数，W/(m·℃)；l为沿埋管长度方向的距离，m；r为埋管某处垂直于埋管方向的距离，m；R为埋管内径，m；t(τ,l,r)为τ时刻、埋管l长度处垂直于埋管轴向r处的温度，℃；T(τ,l)为τ时刻、埋管l长度处管内流体温度，℃；t(τ,l,R)为τ时刻、埋管l长度处管内壁的温度，℃；G为埋管流量，kg/s；C为水的比热，J/(kg·℃)；S为地埋管横断面的周长，m。

3　边界及初始条件

3.1边界条件

为了简化计算过程，计算的边界条件进行如下的简化及设置。

（1）岩土传热的边界条件

1）地下岩土近似为一个半无限大的传热介质，且初始地温均匀，假定该工程位于成都、土壤初始温度设置为20℃；

2）土壤表面按第三类边界条件处理，空气与土壤表面的对流换热系数为10W/(m2·K)[7]；

3）土壤底面为定温边界条件，认为运行期间（周期性短时运行）换热器的热作用半径认为不波及岩土四周边界，故设定岩土四周边界为定温条件；

4）桩基螺旋埋管内流动介质的初始温度设置为岩土的初始温度。

（2）管内流体流动的边界条件

1）固体壁面边界条件

数值模拟计算时，管壁面上的速度分量u，v，w都按无滑移的边界条件处理，即壁面上的速度设为0m/s。对于能量方程，管外壁面温度与岩土传热耦合求解。

2）进口边界条件

进口的边界条件主要包括流体速度、湍流动能、湍动能耗散率以及流体温度，进口流体的温度取决于机组实际运行过程中的出水温度，根据水流量与用户侧负荷经过计算得到埋管的进水温度。根据规范，管内流体速度取为0.8m/s。

湍流动能一般按来流平均动能的百分数进行取值，一般可取为0.5%～1.5%，湍流动能耗散率可根据给定的湍流动能进行计算，而计算时可采用如下近似的计算公式：

式中：Kin为进口的湍流动能；Vin为进口流体的平均速度，m/s；εin为湍流动能耗散率；CD为经验常数。

3）出口边界条件

假设出口流动处于充分发展区，开口断面上网络节点的参数值对开口边界内邻近节点上的参数值不存在任何影响。

3.2计算工况及参数

只针对夏季情况进行计算，对定排热负荷、定埋管入口水温两种模式进行计算。针对定排热负荷模式，螺旋埋管的总排热负荷为4kW。对于定水温模式，埋管入口水温恒定为32℃。土壤及桩基参数如表1所示。

回填混凝土的热物性参数[5]分别是：导热系数2.3W/(m·K)，密度2400kg/m3，比热容890J/(kg·K)。

表1　土壤及桩基参数Table 1 The Parameter of Soil and Pile

（m）含水率　（m/d）　（kg/m3）0～1.8　杂填土：褐黑色，稍湿，松散，含大量碎砖瓦砾等建筑垃圾。　-0.47 -1.8～2.9　红粘土：褐黄色，质纯，细腻，可塑状。　49.87%　1756 2.9～18.7泥质白云岩：灰色，薄层状，微晶结构，节理裂隙及溶蚀现象不甚发育，见方解石脉及蜂窝状小溶孔，岩芯碎块状-短柱状，中风化。　-　2802

4　结果分析

4.1埋管水温分析

设置运行时间为9小时，即连续运行9小时后，系统停止运行。夏季运行时，地埋管主要向外部排热，造成土壤及桩基温度升高，最终导致埋管内部水温升高，运行期间内，不同模式埋管进出口水温随时间的变化情况如下图所示。

图3　不同模型埋管进出口水温变化Fig.3 Import and export Temperature Changes In Different Models

由图可知，对于不同运行模式，桩埋管换热器的出水温度总是在随着运行时间的增加，初期增幅较大，然后变化平缓，最后进入相对稳定的状态，其主要原因是：运行初期土壤及桩基温度较高，换热温差较大，所以换热量较大，同时随着系统不断向土壤取热，靠近换热器周边的土壤温度迅速下降，换热温差也随之减小。当换热过程进入到相对稳定阶段后，管内流体与土壤的换热趋于平衡，出水温度变化与单位管长换热量也较稳定。

不同运行模式中，沿螺旋埋管长度方向的水温变化如图4所示。

图4　流动方向流体的温度变化Fig.4 Changes of the Fluid Temperature in the Flow Direction

由上图可知，管内流体温度沿流动方向线性降低，说明螺旋埋管对流体的冷却效果是均匀的，对于定排热负荷模式，单位管长流体温降为0.37℃，对于定入口水温模式，单位管长的温降为0.13℃。

4.2土壤及桩基温度场分析

埋管排热过程将导致土壤及桩基混凝土的温度升高，图5所示即为埋管运行末期其周围土壤及混凝土的温度分布情况。由图可知，排热量一部分传递至螺旋埋管围绕的内部区域，即混凝土桩基区，另一部分则传递至埋管围绕的外部区域，即土壤区。同时在竖直方向温度场的分布也存在一定的特性：顶部土壤及桩基温度明显高于底部。图6所示为距螺旋埋管不同距离处的土壤及桩基温度。

图5　埋管周围温度场Fig.5 Temperature Distribution of Soil Around The Spiral Pipe Heat Exchanger

Fig.5 Temperature Distribution of Soil Around The Spiral Pipe Heat Exchanger

图6　距埋管不同水平位置处的温度Fig.6 Temperature of Soil of Different Horizontal DistancesFrom The Spiral Pipe Heat Exchanger

由图可知，在水平方向上，距埋管越远，温度越低，同时桩基内部的温度高于外部土壤温度，主要原因为桩基的体积有限，造成其热容量有限，而外部土壤可视为无限大物体，理论上可无限接收排热量。随着埋管的运行，桩基有限的热容量导致其温度高于外部土壤。

图7　埋管运行向土壤及桩基的排热量随时间变化（定排热负荷模式）Fig.7 The Heat Rejections Of The Spiral Pipe Heat Exchanger To The Soil And Pile Vary With Time (Constant Heat Removal Load Mode)

图7所示为埋管向土壤及桩基内排热量随时间的变化情况（定排热负荷模式）。由图可知，土壤及桩基所吸收的排热量随时间的变化特性完全不同，向桩基内部的排热量在运行初期（0-40min）迅速增加，而后慢慢下降，而对于土壤区域，向其内部的排热量随运行时间稳步增加，并未出现拐点。整个运行期间内，桩基所吸收的排热量平均为土壤吸热量的3.27倍，但该差异随运行时间的增加而逐渐减小。造成这种现象的原因为：埋管直接布置在桩基内，运行初期时，排热量全部排至桩基内，造成桩基的吸热量迅速增加，随着运行时间的增加，温度场逐渐扩散，土壤开始逐渐吸收热量，导致土壤的吸热量开始增加而同时桩基的吸热量逐渐下降。因为土壤的热容量可视为无限大，因此当运行时间足够长时，埋管向土壤的排热量将大于其向桩基的排热量。

整个运行期间，对于定排热及定入口温度运行模式，埋管外部土壤的平均温升分别为0.57、0.35℃，内部桩基混凝土的平均温升分别为9.13、5.27℃，两温升均在设计范围内，不会对桩基结构产生影响。且地埋管基本不存在连续长时间运行情况，大多为间歇运行状态，在间歇期内，土壤及桩基温度会得到一定恢复，因此，采用桩基螺旋埋管地源热泵系统，不会对桩基结构产生影响。

5　结论

本文对地源热泵桩基螺旋埋管的在夏季工况下的换热性能进行了系统研究，得到如下结论：

（1）对于不同的运行模式，包括定排热负荷及定入口水温模式，埋管出口水温均随运行时间的增加而增加。

（2）沿流动方向，流体的温度呈线性下降趋势。

（3）土壤及桩基内部温度场存在坚直分布特性：顶部温度高于底部。

（4）运行过程中，螺旋埋管围绕区内部的桩基混凝土温度高于其外部的土壤温度。

（5）短时间间歇运行模式中，桩基部分吸热量大于土壤吸热量。

（6）间歇运行模式中，桩基及土壤在运行过程中受排热的影响产生的温升很小，对桩基结构不造成影响。

参考文献：

[1]方肇洪,刁乃仁.地热换热器的传热分析[J].建筑热能通风空调,2004,23(1):11-20.

[2]方肇洪,刁乃仁.地热换热器的传热分析[J].工程热物理学报,2004,23(4):685-687.

[3]石磊.桩基螺旋管地热换热器导热模型分析与实验研究[D].济南:山东建筑大学,2010.

[4]毕月虹,陈林根.土壤热泵用立式双螺旋盘管地下温度场数值分析于实验验证[J].应用科学学报,2000,18(2): 167-170.

[5]余乐渊,赵军,李新国,等.竖埋螺旋管地热换热器理论模型及实验研究[J].太阳能学报,2004,25(5):690-694.

[6]袁伟峰.热泵用埋地套管式换热器传热的理论与实验研究[D].天津:天津大学,2002.

[7]王勇.动态负荷下地源热泵性能研究[D].重庆:重庆大学,2006.

[8]朱洁莲,杨卫波,嵇素雯.土壤源热泵地埋管传热强化研究现状及其发展[J].制冷与空调,2013,(5):488-493.

Numerical Investigation on the Heat Transfer Performance of
Pile Spiral Pipe Heat Exchanger in Ground Source Heat Pump System

Li Tao1Wu Chuncai2
( 1.Sichuan HuaCheng HuiYu Architecture Design Co., Ltd, Chengdu, 610000;
2.Radio, Film & Tv Design And Research Institute, Beijing, 100000 )

【Abstract】Numerical study of the heat transfer performance of pile heat exchanger in GSHP (ground source heat pump) system was carried out in this paper. Aims at the spiral pipe heat exchanger, the computation model was created and solved through CFD software. The heat transfer characteristics, including in-pipe water temperature, soil and pipe temperature distribution, were analyzed. The result shows that under different operation conditions, the in-pipe water temperature has a characteristic of liner reduction along flow direction, also the outlet water temperature is rising gradually over time. For on-off operation condition, the heat amount released into pile is bigger than that released into soil. The temperature rise of soil and pile caused by heat absorbing during operation period meets the requirements of the design code, which will cause little impact on the structure characteristic of pile.

【Keywords】Ground source heat pump; Pile spiral heat exchanger; Numerical calculation; Heat transfer performance

中图分类号TK52

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-082-05

收稿日期：2015-06-16