徐以洋
（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 杭州 310014）
摘 要：桩埋管地热换热器可以省却钻孔工序，节约施工费用，更能有效的利用建筑物的地下面积，不占用地面。但是此前在国内还没有见到关于桩埋管换热器传热模型的成熟的研究成果，本文将对桩基埋管换热器传热模型进行研究分析。
关键词：地源热泵，桩基埋管，温度响应，传热模型。
0概述
桩基埋管地源热泵系统：在建筑物建造时，直接将地源热泵系统的埋管换热器置于建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，成为桩埋管地热换热器。这样可以省却钻孔工序，节约施工费用，更能有效的利用建筑物的地下面积，不占用地面。因此把竖直埋管与建筑桩基础结合的桩埋管地热换热器已成为应用地源热泵技术的一个新热点。针对目前已经采用的U型或W型桩埋管地热换热器的不足，我国目前已有了桩埋螺旋管地热换热器，然后借鉴竖直埋管地热换热器传热分析的已有成果，并针对它们应用于桩基地热换热器时的缺点提出适合桩基螺旋埋管换热器的新的传热模型。
2传热模型
2.1根据埋管方式，其传热模型有以下几种：
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2.2国内除了山东建筑大学提出的几个解析模型，华中科技大学在复合线热源模型和圆柱源模型的基础上，基于MATLAB平台建立了适用于桩埋管换热器传热的复合圆柱源模型。然后利用有限体积法在MATLAB平台上，建立三维数值模型，并对三维数值模型进行了敏感性分析。最后还利用新建的复合圆柱源模型，对两个实际测试项目进行了计算分析，得出较为理想的结果。复合模型将钻孔内埋管简化为单管，然后将温度响应加到当量管的管壁，从而以非稳态的方法计算流体到土壤的温度响应，消除了钻孔内的稳态假设。在复合线热源模型和圆柱源模型的基础上建立复合圆柱源模型。
以一直径600mm的桩基单U埋管为例，得出复合圆柱源模型与传统模型的对比结果如下：
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由图可以看出，短期响应差异较明显。
在MATLAB平台上，利用有限体积法建立了三维瞬态传热模型，主要模拟一单U型桩埋管，复合圆柱源模型与桩埋三维模型结果对比结果如下图，主要计算条件为600mm直径的桩埋单U管。
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由图可知，模拟运行48h后，两模型最终绝对误差为1.01℃，相对误差为3.4%。同样模拟计算了相同条件下400mm和250mm桩基，两模型误差随直径减小而减小。
3不同类型桩基埋管换热分析
对于垂直埋管由于钻孔直径较小，故钻孔内埋管一般对称放置，但是对于直径较大的桩埋管系统，其埋管的布置可以相对自由。双U和三U埋管有多种不同的布置形式。不同布置形式可以计算出不同的桩内热阻，热阻计算公式可以通过稳态假设而推导。而不同的热阻大小会导致不同的温度响应，从而也影响埋管换热性能。对于桩基直径600mm，相同加热功率及其他参数配置相同的埋管进行模拟，不同形式双U及三U型桩埋管的温度响应曲线如下：
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桩基内不同埋管布置形式对埋管换热器换热性能有很大影响。现计算相同设计工况下不同形式埋管的换热量。同样模拟600mm桩基，假设冬季运行三个月，传热介质设计平均温度为6℃；夏季运行四个月，传热介质设计平均温度34.5℃，以办公类建筑为例（每天运行8h），不同配置情况下的地埋管单位延米换热量，软件计算结果如下表所示：
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由计算结果可以看到，普通双U优于双U型一号和W型，特别是相对于W型，换热量有明显提升；同理，普通三U也优于其他两种。这说明在桩基内布置埋管时尽量对称分布，且应尽量增大各埋管间距，从而增强换热。比较双U型和三U型埋管的换热量可看出，三U型埋管换热量明显大于双U型（同类布置下相差10%左右），虽然三U型埋管初投资略有增加，但总体更经济。
4 结束语
实心圆柱面热源、线圈模型和螺旋线模型能更好描述桩基埋管换热器传热过程，这些传热模型的三维非稳态传热过程的解析解，能为该技术的工程应用提供理论基础。
作者简介: 徐以洋（1980-），男，浙江杭州人，高级工程师。