螺旋型埋管能源桩桩内温度场分布特征及其影响因素分析

赵海丰, 桂树强, 李 强，贾 甲

(1.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074；2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)

螺旋型埋管能源桩桩内温度场分布特征及其影响因素分析

赵海丰1,2, 桂树强1, 李 强1，贾 甲1

(1.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074；2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)

针对能源桩桩内温度场分布特征开展了现场原位试验，实测获得了能源桩换热过程中的桩壁和桩心温度，以此为基础结合数值模拟分析了能源桩的桩内温度场分布特征及其影响因素。分析结果表明：能源桩桩内温度温升规律与地埋管进出口温度变化规律一致，桩内温度场主要受地埋管进出口温度控制；能源桩制热(冷)时，以地埋管为起点，桩内温度远离地埋管呈抛物线下降(上升)；影响能源桩桩内温度场分布特征的主要因素为回填材料导热系数和桩径，导热系数越大，相同制热时间时的桩内温度越高，且桩心温度随导热系数的增加近似呈线性上升；桩径越大，相同制热时间时的桩内温度越低，桩内温度随桩径的增加近似呈等比例下降。该研究成果可为能源桩的推广应用提供参考。

螺旋型埋管能源桩；温度场分布特征；影响因素分析；原位试验；数值模拟

1 研究背景

随着我国经济不断发展和工业化的进展，环境污染和能源短缺日趋严重，已经到了不得不解决的时候，而造成我国大气污染和能源短缺的主要原因在于能源利用量巨大及利用结构不合理[1]。我国90%的能源为煤炭和石油等对环境造成污染较严重的传统能源，远高于世界平均水平。据统计，建筑能耗约占我国消耗总能耗的28%，而在建筑能耗中，暖通空调的能耗约占63%，由此可见，暖空空调所占能耗约为我国总能耗的18%，是节能潜力最大的领域之一[2]。地源热泵系统作为一套清洁的能源利用系统，能够有效地利用浅层地热能制热和制冷而达到降低能耗和保护环境的目的，目前正被广泛推广应用[3]。地下换热器是整个地源热泵系统的关键组成部分，目前多以钻孔埋管作为地下换热器。能源桩采用桩基作为地下换热器，相比钻孔埋管换热器，能源桩节省了钻孔费用，具有更好的经济性；能源桩较钻孔埋管换热器有更大的换热截面,因而具有更好的换热效率；此外，能源桩利用了桩基结构,因而节约了地下空间[4-5]。综上所述能源桩具备众多优点，且桩基在工程建设中应用广泛，因而能源桩具有良好的应用前景。

近年来，能源桩在国内的应用呈快速发展的趋势，但其应用中存在的2大问题，即能源桩的传热特征及换热过程中对能源桩结构安全的影响一直未得到较好的解决[2]。针对能源桩的传热特征，现有的研究主要从能源桩换热过程中的温度场及换热性能2方面开展[6]，主要通过理论计算和数值模拟2种方式展开，其缺陷在于研究成果难以通过现场进行检验，因而存在一定的局限性。另外，与钻孔埋管换热器相比，能源桩桩径较大，桩内传热及桩体自身的热储能力对能源桩的桩内温度场具有较大的影响，目前对桩内温度场及其影响因素的研究尚十分有限。针对上述问题，本文在信阳地区开展了一项现场原位试验，实测获得了能源桩在运行过程中的桩内温度场，之后通过实测值验证了数值模拟的合理性，结合数值模拟成果研究了能源桩的桩内温度场分布特征及其影响因素。本文探索了能源桩桩内温度场分布的一般规律，可为能源桩的推广应用提供参考。

2 试验方案及数值模拟方法

2.1 试验工点所依托项目概况

本试验所依托的建筑主体为信阳高铁站站前广场，为地下两层建筑物。该项目占地总面积约3万m2，建筑总面积为6万m2，拟采用中央空调系统来满足地下一层商业部分的夏季供冷与冬季供热。本项目地源热泵冷热源系统的总冷负荷为7 200 kW，总热负荷为2 400 kW。项目选用2台高温地源热泵机组和2台冷水机。

地埋换热器系统采用桩基埋管与钻孔埋管相结合的复合埋管方式，其中地埋管井数量为360口，地埋管换热器采用de25的并联双U型管，竖直钻孔埋管方式的钻孔管径为130 mm，钻孔有效深度为100 m，埋管间距4.2 m×6 m。桩基埋管换热器数量为1 000口，桩基均采用人工挖孔桩，桩径800 mm，桩深12.0 m，桩基埋管采用螺旋型布管，管径25 mm。

2.2 试验布置及试验过程

现场选择一根能源桩为测试对象，桩径800 mm，长12.0 m，测试桩采用螺旋型埋管，螺距300 mm，地埋管管径25 mm，测试桩的总埋管量为80 m。

在测试桩的一侧桩壁和中心分别设置1列BGK-3700型温度传感器，定义为Z1和Z2；在测试桩的另外3侧桩壁设置BGK4200型振弦式应变传感器(可同时测试温度)，分别定义为Tε1，Tε2和Tε3；在桩外侧的岩土体中布置4列温度传感器，间距425 mm，分别定义为Z3，Z4，Z5和Z6。每列温度传感器和应变传感器沿深度方向布置3组，分别位于桩顶以下1.5，6.0，10.5 m处。位于桩壁的传感器通过焊接的方式固定在钢筋笼上，随钢筋笼埋设在能源桩中；非桩体上的传感器采用钻孔埋设。传感器布置详见图1。

图1 试验传感器布置Fig.1 Arrangement of sensors

2.3 桩内温度测试成果

在整个试验过程中，对桩壁和桩心温度进行了实时监测，图2给出了测试过程中桩心及桩壁温度随时间的关系曲线。

图2 桩心与桩壁温度实测成果(H=6.0 m)Fig.2 Measured results of temperature at pile core and pile wall(H=6.0 m)

2.4 数值模拟方法及模型

本文采用CFD方法对桩基埋管换热器开展非稳态流-固耦合的数值模拟分析，并与实测值进行对比分析，验证数值模拟方法的正确性。由于能源桩的传热非常复杂，对数值模拟作如下基本假定：①假定螺旋埋管为等间距的线圈热源[7]；②桩基周围岩土体热物性均匀；③忽略地下水流动，认为桩基与周围岩土体的传热过程为热传导；④桩基内钢筋的热物性与混凝土相同；⑤桩基周围岩土体温度均匀。模拟中换热流体采用的模型为遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒以及湍流标准的k-ε模型[2,8]。

以B#螺旋型埋管能源桩为对象，选取6.0m深度作为计算剖面建立数值计算模型，采用非结构化网格对桩基埋管换热器进行网格划分，如图3所示。

图3 螺旋型埋管能源桩桩内温度场数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model of temperature field in energy pile with buried spiral pipe

3 桩内温度场分布特征

能源桩在制热或制冷过程中，以地埋管线圈热源为起始点，向桩内传播热量，由于热源为一圆环，因而温度场呈圆环形向桩内传播。图4给出了在不同时刻桩温度场的分布云图，地埋管作为发热源温度始终最高，随着远离地埋管温度逐渐下降，桩心温度最低。

图4 不同时刻桩内温度场分布云图Fig.4 Temperature distribution in energy piles at different hours

图5给出了桩心及桩壁温度随时间的关系曲线，在制热开始阶段的约1.5h内，桩心温度与初始地温基本一致，该时间段内因制热产生的温度尚未传播到桩心；由于地埋管距离桩壁传感器较近，桩壁温度与地埋管几乎同时升温。随后，桩心和桩壁温度开始随时间的增加呈抛物线升高，温升速率表现为先快后慢，其温升规律与地埋管进出口温度具有一致性，由此可见，能源桩桩内温度主要受管内循环液温度的控制。

图5 桩心及桩壁温度随时间的关系曲线Fig.5 Curves of temperature at pile core and pile wall vs. time

通过相对误差分析，桩心温度模拟值与实测值的最大温度差约1.4 ℃，相对误差约3.5%；桩壁温度模拟值与实测值的最大温差约5.3 ℃，相对误差约12.5%。桩壁位置温度模拟值与实测值的相对误差远大于桩心部位，分析原因是由计算模型的简化和传感器埋设位置的不同而造成的，数值模拟将螺旋型埋管等效为多个等间距的线圈，模拟值为紧邻线圈热源的桩壁温度，要高于其他部位桩壁的温度，而传感器埋设于2个相邻线圈热源之间的桩壁，其距离线圈热源的距离相对较远，因而实测值小于模拟值且存在一定的误差。由此可见，螺旋型埋管能源桩运行时，不同位置的桩壁温度存在差异。

图6给出不同时刻的桩内温度沿半径方向的变化曲线。在制热初始阶段，以桩心为起点，温度朝地埋管方向呈抛物线增加，温升速率逐渐增加；随时间不断增加，桩心温度与地埋管的温度逐渐接近，达到一定时间后(测试时间为80h)，桩心温度与地埋管温度基本一致，两者以相同的速率共同升高。从地埋管至桩壁段，温度迅速下降，下降速率远大于地埋管至桩心段的温降速率，原因在于地埋管产生的温度可向桩外无限远处传播，其温度梯度远大于桩内温度场。

图6 不同时刻桩内温度随半径方向的变化曲线Fig.6 Curves of temperature in pile vs. radius at different hours

图7 桩内温度影响半径随时间的关系曲线Fig.7 Distances affected by temperature in energy piles vs. time

根据不同时刻能源桩内的温度场分布情况，绘制桩内温度场作用半径随时间的关系曲线，见图7。温度传播到桩心的时长约80min，温度场作用半径随时间的增加呈抛物线增加，增加速率随时间的推移逐渐减缓。

本文亦对制冷工况下能源桩桩内温度场进行了数值模拟，通过数值模拟及与实测成果的对比分析发现，在制冷工况下，能源桩桩内温度场与制热时具有相同的规律，在此不再阐述。

4 桩内温度场影响因素分析

能源桩在传热过程中，桩内温度场主要受回填材料的导热系数和桩径的影响，以高铁站螺旋型埋管能源桩为对象，分析回填材料导热系数和桩径对桩内温度场的影响。

4.1 回填材料导热系数对桩内温度场的影响

根据建立的高铁站螺旋型埋管能源桩数值模型，设置不同的回填材料导热系数(λ=1.6～2.8 W/(m·K))，模拟能源桩的桩内温度场。图8为t=30 h时，不同回填材料导热系数的桩内温度场分布云图。由图8可知，回填材料导热系数对桩内温度场影响较为明显，导热系数越大，温度在桩内的传播速率越快，相应的桩内温度也越高。

图8 不同回填材料导热系数下的桩内温度场分布云图(t=30 h)Fig.8 Temperature distribution in energy piles with different thermal conductivity of backfill materials (t=30 h)

图9为t=30 h时，桩心温度与桩内回填材料导热系数的关系曲线。由图9可知，桩心温度随导热系数的增加近似呈线性上升。

图9 不同回填材料导热系数下的桩心温度(t=30 h)Fig.9 Temperature at the core of energy piles with different thermal conductivity of backfill materials (t=30 h)

图10给出了在不同桩内回填材料导热系数下，桩内温度场随半径方向的分布曲线(t=30 h)。在不同导热系数下，桩内温度场的规律基本一致，即桩内温度场从桩心开始，朝地埋管方向呈抛物线上升，其上升速率先慢后快，且导热系数越大，桩内温度越高。

图10 不同回填材料导热系数下的桩内温度随半径方向的分布曲线(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 桩径对桩内温度场的影响

以螺旋型埋管能源桩为研究对象，建立不同桩径d(600～1 500 mm)的能源桩数值计算模型，研究桩径对能源桩桩内温度场的影响。

图11给出了t=30 h时不同桩径能源桩的桩内温度场分布云图。

图11 不同桩径能源桩桩内温度场分布云图(t=30 h)Fig.11 Temperature distribution in energy piles of different diameters(t=30 h)

由图11可知，桩径越大，能源桩的储热能力越大，温度传播到桩心位置需要的时间越长，相应的桩内温度越低。

图12给出了t=30 h时，桩心温度与桩径的关系曲线，桩心温度随桩径的增加近似呈线性下降。

图12 桩心温度与桩径的关系曲线(t=30 h)Fig.12 Relationship between temperature at pile core and pile diameter (t=30 h)

图13为不同桩径能源桩桩内影响半径随时间的关系曲线。

图13 不同桩径能源桩影响半径随时间的关系曲线Fig．13 Curvesofdistanceaffectedbytemperaturevs．timeforpilesofdifferentdiameters

由图13可知，桩内温度场的影响半径随时间呈抛物线上升，桩径越大，传播到桩心所需的时间越长。

根据不同桩径条件下的传播速率计算成果，温度场传播到桩心的时间与桩径近似呈线性关系，其关系曲线的函数表达式为

(1)

式中t为温度传播到桩心所用的时间(h)。

图14 不同桩径能源桩桩内温度随半径的分布曲线(t=30 h)Fig.14 Curves of temperature in piles of different diameters vs. radius(t=30 h)

图14为t=30 h时，不同桩径能源桩桩内温度场随半径的分布曲线。在相同制热时间时，桩内温度以地埋管为起点，向桩心方向呈抛物线下降，且温降速率逐渐减小。桩径越大，相应的桩内温度越低；随着桩径的增加，桩内温度场近似呈等比例下降。

5 结 论

本文采用现场实测及数值模拟等方法研究了能源桩的桩内温度场分布特征及其影响因素。主要得出了以下结论：

(1) 能源桩在制热时，桩内任意点的温升规律与地埋管进、出口温度变化规律基本一致，由此可见，桩内温度场主要受循环液的温度控制。

(2) 制热工况时，以地埋管为起点，能源桩桩内温度场呈抛物线下降，下降速率表现为先快后慢，温度最低点位于桩心。

(3) 在相同热流密度下，能源桩桩内温度场主要受回填材料导热系数和桩径的影响：导热系数越大，温度在桩内传播速率越快，相应的桩内温度也越高，在相同制热时间时，桩心温度随导热系数的增加近似呈线性上升；桩径越大，能源桩的热储能力越大，温度传播到桩心位置需要的时间越长，相应的桩内温度越低，在相同制热时间时，桩心温度随桩径的增加近似呈线性下降，桩内温度场近似呈等比例下降。

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(编辑：刘运飞)

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

国家自然科学基金项目(41502238)；中央高校杰出人才培育基金项目(CUGL150819)

赵海丰(1983-)，男，湖北武汉人，高级工程师，博士，主要从事浅层地热能开发利用及岩土工程设计、科研工作，(电话)13163239121(电子信箱)zhaohaifeng83@163.com。

10.11988/ckyyb.20160160

2017,34(8):153-158

TU473.1

A

1001-5485(2017)08-0153-06