浅谈能量桩换热影响因素

张立军 颜 萍

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

与传统地源热泵钻孔埋管技术相比，能量桩技术即不需要复杂的钻孔工艺，还缩小了地下空间的应用，同时不存在管内液体泄漏到土壤导致环境污染的问题。目前我国已建有能量桩技术的建筑，依据地下空间环境的不同，如土壤类别、含水率、桩身大小及热物性、是否存在地下水的流动，能量桩换热效率也受到不同程度的影响。

1 土壤类别对能量桩换热的影响

土壤作为一种有限的资源。根据土壤质地，土壤分为沙土、壤土、粘土。沙土颗粒间孔隙大，透水性好；粘土土质粘重，保水性好；壤土的性质则介于沙土与粘土之间。能量桩埋在地下土壤中，桩身垂直方向上不同埋深情况下，土壤分层土壤性质不一致时，桩身换热效率受到一定程度影响，这就导致桩身在不同埋深换热量存在差异。

根据洪伟[1]等人的研究发现：当考虑桩周围土体为黏土砂土和岩石时，能量桩单位长度换热量大小依次为岩石>沙土>粘土。这是由于岩石导热系数最大，因而能量桩单位长度换热量最高。

2 桩身尺寸和回填材料对能量桩换热的影响

能量装技术采取地下浅层地热能，实现桩身热量与其周围土壤热量的相互传递，不同的桩身尺寸将对能量桩与土体之间的热交换作用产生不同程度的影响，现有学者研究发现能量桩桩- 土体间换热量与桩长成反比，与桩径成正比[2]，桩长越小桩径越大，其换热量越高。

能量桩主要由换热管和回填材料构成，回填材料由水泥胶凝材料、集料等组成。不同配合比的回填材料对能量桩力学性能和传热性能存在一定程度的影响，有学者[2-3]就回填材料配合比问题展开研究。发现当回填材料加入钢纤维时，配置出不同材料配合比的回填材料可得到最优材料配合比，见表1[7]。根据最优材料配合，并制作能量桩，在保证能量桩力学结构情况下，还可以有效提高桩身导热系数，从而增加了能量桩与周围土壤的换热量。

3 埋管形式和循环夜流速对能量桩换热的影响

能量桩埋管形式沿用了传统地源热泵垂直埋管换热器方式：U 形，W 形，螺旋形等。赵嵩颖[4、8]等人建立能量桩数值模型，模拟在W、U、并联双U 形三种不同的埋管方式下，如图1 所示，能量桩周围土壤温度场分布得出结论，并联双U 形埋管对土壤温度变化影响最大，如图2 所示。

张爽[5]和陈忠购[6]建立U 形桩基埋管换热器，探究埋管形式和循环夜流速对能量桩的换热性能影响，张爽等人得出结论：与单U 形以及W 形埋管形式相比，并联双U 形对桩基埋管换热器换热的影响较显著，管内循环夜流速不同，能量桩换热量差别不大。陈忠购等人则得出结论：能量桩换热效率随埋管数量增加而提高；若埋管数量一定，桩内所有U 形管的支管等间距布置能量桩的换热效率最高；U 形管进出水支管的布置顺序对能量桩的换热效率影响很小；若循环液流动速度保持不变，增加埋管直径能增大能量桩的换热效率，见图3[2]。

因建筑物能耗需求，能量桩运行过程中，冬季向土体吸取热量，夏季向土体释放热量。但是，周期性运行时，间歇时间长短不一，吸取热量与释放热量若不平衡，就会造成土体温度的升高或下降，进而影响能量桩的换热效率。任连伟开展了微型钢管群桩的现场试验，研究发现循环温度次数增加，能量桩换热效率降低；间歇时间越长，能量桩换热效率越高。宋怀博等对砂土地基中能量桩的研究发现，相同的条件，制热模式下能量桩影响周围土体的范围大于制冷模式；且制热效果低于制冷效果。可以看出，在制热工况下有效转移能量桩周围土体热量，对于提高能量桩换热效率有帮助[9]。

图1 换热管埋设方式图

4 能量桩预期发展前景

图2 不同埋管形式换热性能比较图

图3 桩直径不同储热后温度分布图

近年来，可再生能源开发利用日益受到重视，因其具有清洁、高效，稳定、安全等优势，在供暖制冷方面浅层地热能的开发利用尤为突出。积极探索控制地下水最佳渗流速度，高效采取浅层地热能用于建筑供暖制冷，为提高能量桩换热效率蓄力。如何提高能量桩高效换热效率将成为未来的研究方向。