地下水渗流对深层埋管式能源桩传热特性的影响

地下水渗流对能源地下结构的传热具有增益效果,通过构建深层埋管式能源桩单桩三维热渗耦合物理模型,分析了制冷、制热2种工况下渗流速度与渗流层位置对深层埋管式能源桩换热效率的影响。模拟结果发现,无渗流作用时深层埋管式能源桩在制冷、制热2种工况下的运行过程中均存在严重的冷热堆积现象。渗流作用则可在一定程度上消除冷热堆积,提升制冷、制热效率,该作用会随着渗流速度的增快而逐渐增强,且存在一定的热迁移现象。受地热梯度的影响,处于不同渗流层位置的深层埋管式能源桩换热效率的提高幅度不同。相比于浅层,更深层的渗流作用对制热效率的提高幅度更大,但对制冷效率的提高幅度却更小。

深层埋管式能源桩换热性能影响因素分析

提出一种新型的能源桩换热管型式,即深层埋管式能源桩。利用Comsol Multiphysics建立三维方法模拟桩体−土体传热,一维方法模拟管内水动态传热传质的数值模型,考虑了土体温度随深度的变化,模拟出口水温随时间的变化规律并计算换热量,比较深层埋管式与传统的1-U型、1-W型能源桩的换热量,分析了桩径、桩体导热系数、桩体密度、桩体比热容等不同参数对新型深层埋管式能源桩换热量的影响。模拟结果表明:以运行50 h为例,深层埋管式的总体换热量比1-U型、1-W型分别高122%、54%;而对于单位管长换热量,深层埋管式比1-U型、1-W型分别高9%、50%,桩径从0.5 m增加到1 m,换热量增加14.3%;桩体导热系数从1.2 W/(m·K)增大至2.5 W/(m·K),换热量增加9.6%;桩体密度从1800 kg/m^3增大到2600 kg/m^3,换热量增大0.8%;桩体比热容从637 J/(kg·K)增大到1037 J/(kg·K),换热量增大1.1%。因此深层埋管式的热性能优于传统1-U型和1-W型,在满足能源桩力学性能的前提下,为了提高深层埋管式能源桩换热性能,可以适当增大桩径。对于桩体材料的选择,应该选择导热系数较高的材料。密度和比热容对换热量的提升影响不大。