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【摘 要】地源热泵由于其高效、节能、环保的特点，近年来日益受到人们的重视。传统地源热泵的直埋管换热器占地面积较大，这就使得城市中大型建筑使用地源热泵具有一定的局限性。如果能够在桩基中埋设PE管，利用桩基和土壤较大的接触面积和带有钢筋笼的混凝土桩导热系数比一般岩土高的优势，地源热泵的应用前景将会更广。
【关键词】双U型桩基埋管；换热性能；取热量；放热量
0.引言
长期以来，国内外对土壤源热泵系统的研究主要集中在直埋管的布置及传热机理（钻孔埋管）、回填材料对换热性能的影响等，对桩基埋管的研究非常少。所谓桩基型土壤源热泵，就是将传统的土壤源热泵与建筑用的地埋桩基相结合，在打地基之前，将土壤源热泵的地埋管铺设在打桩用的钢筋笼中，并随钢筋笼一并埋入地中，最后浇筑水泥。本文研究主要内容包括：
1.桩基型地源热泵
对于地源热泵来说，最关键的是换热能力。在桩基中由于水泥的传热系数很大，而且在很短时间内就会将热量传导出去。所以可以近似地把地埋管和水泥看做一个整体，并且水泥的温度近似与地埋管中水温一致，从而相当于把传统的直埋型地埋管换热半径扩大。这样子看来，桩基埋管的换热面积大大增加，换热能力应该远远高于传统的直埋型热泵。
1.1土壤源热泵工作特点
土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。初投资偏高，机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低。
1.2土壤源热泵的应用条件
总结了近几年的工程实例和参考文献得出共有4个条件。①同时具有夏冬空调负荷，并且年冷热负荷较接近时对土壤源热泵系统的运行更有利；②当地下土壤温度在13-19℃时，土壤换热器的效果最为显著，而我国大部分的夏热冬冷地区最为合适；③当地100M之内不存在坚硬地层，而存在保水性好的砂土层对土壤源热泵实施起来更有利；④具备合适的土壤换热器布置面积。
1.3土壤源热泵特点
1.3.1辅助动力少
评价土壤源热泵系统性能参数之一是辅助动力，它是系统经济性的重要因素。为了保证充分的热交换和地下管道的水力平衡，地下埋管系统严格控制临界速度，因为水流出于层流状态，传热会恶化，甚至由于水流速度慢，会出现气塞现象，气塞会造成水利不平衡。而在紊流状态下增加流速不会对传热带来多大的改善，因为此时热阻主要有管道热阻造成，水的热阻相对来说很小，此时增加流速只会增加泵的容量。
1.3.2运行管理方便，运行状况好
土壤源热泵另一个优点是对设备的维护要求不高。首先这种系统减少了室外许多运转设备，不需要冷却塔，锅炉这种长期维护设备。另外对于热泵系统来说为了解决结霜问题，人们不得不采用电加热等方式间接的位设备除霜融霜后的设备突然启动就更危险。而热泵系统与大地接触，与大地换热保证了不会结霜。系统运转部件少则系统噪音小。
2.模拟过程
2.1模型的建立以网格划分
GAMBIT以绘图方式输入模型的几何形状，本模型包括的几何体有圆柱桩、双U型管内的水、U形管（两个并联）和土壤。桩的直径为1M，土壤平均初始温度18℃。而对于管内水流速度，虽然流速越大，紊流越强，造成的换热量增大，但对于循环泵的压力也越大，综合考虑双U型桩基埋管的水流速度为0.6m/s。其余是模型建立时的一些数据如下：PE管入口湍流强度为0.05，水力直径0.02m，PE管出口为单向流出口，土壤垂直及上部边界层假定绝热，土壤底部边界层18℃，土壤导热系数1.300（w/m·k），密度1847（kg/m），比热（1200j/kg）；钢筋混凝土导热系数1.628（w/m·k），密度2500（kg/m），比热837（1200j/kg），PE管导热系数0.420（w/m·k），密度1100（kg/m），比热1465（1200j/kg），网格划分原则是：计算区域三维网格划分采用非结构的四面体网格单元。从管内流体、钢筋混凝土桩基、土壤由密到疏的三级模式。管内流动加载了必要的边半径包括研究的土壤半径远远小于井深，因此属于细长形的几何体。在划分网格时，考虑到温度在井深方向上变化很小，而在径向却变化很大，所以沿井深方向上的网格划分较稀疏。在U形管下部的弯管处，由于流场变化剧烈，且曲度较大，所以要加密对网格的划分，避免网格有较大的倾斜角。
2.2模拟结果
表1 夏季单位井深放热量随进水温度的变化
可以看出，换热量随进口水温增加线性增加。如果提高地源热泵在夏季运行中U形管进口水温将有利于U形管与土壤传热。使用较高的进口水温，将会大大加强U形管与周围土壤的换热。这主要是由于进口水温较高时水与周围土壤的可利用温差较大，换热得到加强所致。可以推想，在冬季运行工况下，如果U形管的进口水温降低，也会使水与土壤的温差加大，必然也能增加单位管长的换热量。但埋管进口水温越高，（在夏季）热泵机组的效率也越 低。因此，应综合考虑选择适宜的水温。综合考虑夏季双U型埋管进水温度36℃较适宜。
表2 冬季单位井深取热量随进水温度的变化
表3 钢筋混凝土导热系数对双U型埋管换热性能的影响
表2展现出冬季管内进水温度变化时，埋管放热量的值。和夏季的原理一样，综合考虑冬季双U型埋管进水温度6℃较适宜。需要补充的是，水流速度也影响换热性能。流速越大，湍流越强，换热强度就越大。但水流速大于0.6m/s后，换热量的增加并不是很明显，在这种情况下一味的增加水流速度增加了循环泵的负担，COP值降低，效率也不高。所以综合考虑选0.6m/s合适。
分别取导热系数1.0w/（m·℃）到2.0w/（m·℃）的各种钢筋混凝土在冬季工况下运行模拟，结果表明：桩基埋管换热量随其导热系数增加而增加，所以在实际工程中尽量选择导热系数高的钢筋混凝土以提高换热量。
4.结论
（1）双U型桩基埋管夏季管内供水温度36℃较为合适。
（2）双U型桩基埋管冬季管内进水温度6℃较为合适。
（3）钢筋混凝土导热系数1.6～1.8w/（m·℃）较为合适。
【参考文献】
[1]曾建龙.性能可调节围护结构研究.清华大学工学博士学位论文，2006.
[2]张佩芳.地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探.制冷与空调3）：12-15.
【关键词】双U型桩基埋管；换热性能；取热量；放热量
0.引言
长期以来，国内外对土壤源热泵系统的研究主要集中在直埋管的布置及传热机理（钻孔埋管）、回填材料对换热性能的影响等，对桩基埋管的研究非常少。所谓桩基型土壤源热泵，就是将传统的土壤源热泵与建筑用的地埋桩基相结合，在打地基之前，将土壤源热泵的地埋管铺设在打桩用的钢筋笼中，并随钢筋笼一并埋入地中，最后浇筑水泥。本文研究主要内容包括：
1.桩基型地源热泵
对于地源热泵来说，最关键的是换热能力。在桩基中由于水泥的传热系数很大，而且在很短时间内就会将热量传导出去。所以可以近似地把地埋管和水泥看做一个整体，并且水泥的温度近似与地埋管中水温一致，从而相当于把传统的直埋型地埋管换热半径扩大。这样子看来，桩基埋管的换热面积大大增加，换热能力应该远远高于传统的直埋型热泵。
1.1土壤源热泵工作特点
土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。初投资偏高，机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低。
1.2土壤源热泵的应用条件
总结了近几年的工程实例和参考文献得出共有4个条件。①同时具有夏冬空调负荷，并且年冷热负荷较接近时对土壤源热泵系统的运行更有利；②当地下土壤温度在13-19℃时，土壤换热器的效果最为显著，而我国大部分的夏热冬冷地区最为合适；③当地100M之内不存在坚硬地层，而存在保水性好的砂土层对土壤源热泵实施起来更有利；④具备合适的土壤换热器布置面积。
1.3土壤源热泵特点
1.3.1辅助动力少
评价土壤源热泵系统性能参数之一是辅助动力，它是系统经济性的重要因素。为了保证充分的热交换和地下管道的水力平衡，地下埋管系统严格控制临界速度，因为水流出于层流状态，传热会恶化，甚至由于水流速度慢，会出现气塞现象，气塞会造成水利不平衡。而在紊流状态下增加流速不会对传热带来多大的改善，因为此时热阻主要有管道热阻造成，水的热阻相对来说很小，此时增加流速只会增加泵的容量。
1.3.2运行管理方便，运行状况好
土壤源热泵另一个优点是对设备的维护要求不高。首先这种系统减少了室外许多运转设备，不需要冷却塔，锅炉这种长期维护设备。另外对于热泵系统来说为了解决结霜问题，人们不得不采用电加热等方式间接的位设备除霜融霜后的设备突然启动就更危险。而热泵系统与大地接触，与大地换热保证了不会结霜。系统运转部件少则系统噪音小。
2.模拟过程
2.1模型的建立以网格划分
GAMBIT以绘图方式输入模型的几何形状，本模型包括的几何体有圆柱桩、双U型管内的水、U形管（两个并联）和土壤。桩的直径为1M，土壤平均初始温度18℃。而对于管内水流速度，虽然流速越大，紊流越强，造成的换热量增大，但对于循环泵的压力也越大，综合考虑双U型桩基埋管的水流速度为0.6m/s。其余是模型建立时的一些数据如下：PE管入口湍流强度为0.05，水力直径0.02m，PE管出口为单向流出口，土壤垂直及上部边界层假定绝热，土壤底部边界层18℃，土壤导热系数1.300（w/m·k），密度1847（kg/m），比热（1200j/kg）；钢筋混凝土导热系数1.628（w/m·k），密度2500（kg/m），比热837（1200j/kg），PE管导热系数0.420（w/m·k），密度1100（kg/m），比热1465（1200j/kg），网格划分原则是：计算区域三维网格划分采用非结构的四面体网格单元。从管内流体、钢筋混凝土桩基、土壤由密到疏的三级模式。管内流动加载了必要的边半径包括研究的土壤半径远远小于井深，因此属于细长形的几何体。在划分网格时，考虑到温度在井深方向上变化很小，而在径向却变化很大，所以沿井深方向上的网格划分较稀疏。在U形管下部的弯管处，由于流场变化剧烈，且曲度较大，所以要加密对网格的划分，避免网格有较大的倾斜角。
2.2模拟结果
表1 夏季单位井深放热量随进水温度的变化
可以看出，换热量随进口水温增加线性增加。如果提高地源热泵在夏季运行中U形管进口水温将有利于U形管与土壤传热。使用较高的进口水温，将会大大加强U形管与周围土壤的换热。这主要是由于进口水温较高时水与周围土壤的可利用温差较大，换热得到加强所致。可以推想，在冬季运行工况下，如果U形管的进口水温降低，也会使水与土壤的温差加大，必然也能增加单位管长的换热量。但埋管进口水温越高，（在夏季）热泵机组的效率也越 低。因此，应综合考虑选择适宜的水温。综合考虑夏季双U型埋管进水温度36℃较适宜。
表2 冬季单位井深取热量随进水温度的变化
表3 钢筋混凝土导热系数对双U型埋管换热性能的影响
表2展现出冬季管内进水温度变化时，埋管放热量的值。和夏季的原理一样，综合考虑冬季双U型埋管进水温度6℃较适宜。需要补充的是，水流速度也影响换热性能。流速越大，湍流越强，换热强度就越大。但水流速大于0.6m/s后，换热量的增加并不是很明显，在这种情况下一味的增加水流速度增加了循环泵的负担，COP值降低，效率也不高。所以综合考虑选0.6m/s合适。
分别取导热系数1.0w/（m·℃）到2.0w/（m·℃）的各种钢筋混凝土在冬季工况下运行模拟，结果表明：桩基埋管换热量随其导热系数增加而增加，所以在实际工程中尽量选择导热系数高的钢筋混凝土以提高换热量。
4.结论
（1）双U型桩基埋管夏季管内供水温度36℃较为合适。
（2）双U型桩基埋管冬季管内进水温度6℃较为合适。
（3）钢筋混凝土导热系数1.6～1.8w/（m·℃）较为合适。
【参考文献】
[1]曾建龙.性能可调节围护结构研究.清华大学工学博士学位论文，2006.
[2]张佩芳.地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探.制冷与空调3）：12-15.