尚超 李芃

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

土壤源熱泵樁基埋管換熱器的研究進(jìn)展

尚超 李芃

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

近年來，作為可再生能源領(lǐng)域中一種新型的熱泵組合形式，樁基埋管型土壤源熱泵得到了廣泛應(yīng)用?？偨Y(jié)歸納了樁基埋管換熱器在國(guó)內(nèi)外建筑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，包括其原理、結(jié)構(gòu)、傳熱模型、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究等方面，特別是對(duì)該系統(tǒng)試驗(yàn)研究中，傳熱規(guī)律特性、地下土壤溫度場(chǎng)及影響樁埋管傳熱因素等方面進(jìn)行了闡述。

樁基埋管傳熱模型數(shù)值模擬試驗(yàn)性能

0引言

土壤源熱泵的核心部件是地埋管換熱器。傳統(tǒng)的埋管方式主要有水平埋管式和垂直埋管式，但是傳統(tǒng)埋管方式需要較大空間。隨著埋管技術(shù)發(fā)展，又出現(xiàn)了樁基埋管。該技術(shù)最早由奧地利于1980年初提出，經(jīng)歷了“基礎(chǔ)底板埋管——＞地下連續(xù)墻埋管——＞樁基內(nèi)埋管”的發(fā)展歷程[1，2]，但是直到2000年以后才真正得到較多應(yīng)用，有多篇來自歐洲、日本以及中國(guó)的相關(guān)研究報(bào)道[3，4]，例如2008年在英國(guó)已經(jīng)建成了樁基埋管1596根[5]。

樁基埋管技術(shù)又稱為“能量樁”技術(shù)，國(guó)外的應(yīng)用表明，其相比傳統(tǒng)的鉆孔埋管技術(shù)節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。例如，蘇黎世某機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目每年節(jié)約經(jīng)費(fèi)36900瑞士法郎，相當(dāng)于每年節(jié)約0.04瑞士法郎/kW[6]。目前國(guó)內(nèi)也已經(jīng)建有超過20個(gè)此類項(xiàng)目，但是由于理論研究相對(duì)不足，在實(shí)際應(yīng)用中往往只是作為輔助技術(shù)。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)缺乏針對(duì)樁基埋管技術(shù)的系統(tǒng)性總結(jié)，因此本文針對(duì)樁基埋管技術(shù)的發(fā)展歷程，從傳熱理論、計(jì)算方法、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用四個(gè)方面，對(duì)樁基埋管換熱器展開綜述研究。

1樁基埋管的原理與結(jié)構(gòu)

樁基埋管的原理，即將換熱器跟鋼筋框架一起預(yù)先敷設(shè)在鉆孔灌注樁或空心預(yù)制管樁內(nèi)部，使其與樁基成為一體。系統(tǒng)包括樁基內(nèi)垂直換熱器、墊層內(nèi)水平集管，分集水器。目前所能利用的樁基包括所有的摩擦樁和大部分的端承型樁[7，8]。

樁基埋管的結(jié)構(gòu)形式主要有W型、單U型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型和螺旋型等。U型管的施工簡(jiǎn)單，換熱性能較好，承壓高，管路接頭少，不易泄漏等，但是，在體積有限的樁中采用單U型管會(huì)導(dǎo)致傳熱面積很少；W型管換熱面積有所增加，但易在樁中最高端集氣，影響管路傳熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)构苈沸纬伞盁岫搪贰保徊⒙?lián)雙U和三U管雖然增加了管的傳熱面積，但是對(duì)樁基頂部的連接要求很高，如果處理不好會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效果急劇下降，甚至影響樁基的結(jié)構(gòu)性能。針對(duì)這一情況，又出現(xiàn)了螺旋型樁基地埋管。螺旋管的換熱面積和換熱系數(shù)都很高，而且不存在滲漏和供回水溫度的“熱短路”問題，減少了樁基埋管的復(fù)雜程度，因此得到了越來越多的青睞[9]。幾種樁基埋管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1樁基地埋管結(jié)構(gòu)原理圖

2樁基埋管的傳熱理論研究

2.1傳熱過程的整體分析

樁基埋管的傳熱分析分為內(nèi)外兩部分。外部溫度場(chǎng)采用瞬態(tài)傳熱，建立傳熱模型計(jì)算；內(nèi)部溫度場(chǎng)采用穩(wěn)態(tài)傳熱，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)分析。將從內(nèi)到外的換熱過程分為4個(gè)層次，即換熱器——＞回填材料——＞樁基——＞大地。其中，換熱器、回填材料和樁基三者之間的傳熱屬于內(nèi)部傳熱，樁基與大地的傳熱屬于外部傳熱。內(nèi)外溫度場(chǎng)聯(lián)立，可以得到換熱器的溫度響應(yīng)和換熱性能，以及土壤溫度的變化和恢復(fù)特性[10]。傳熱網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，其中，R1為換熱器內(nèi)填充液的導(dǎo)熱熱阻；R2為換熱器內(nèi)填充液與管壁的對(duì)流換熱熱阻；R3為換熱器管壁的導(dǎo)熱熱阻；R4為換熱器外壁與回填材料的接觸熱阻；R5為回填材料的導(dǎo)熱熱阻；R6為樁基壁面的接觸熱阻；R7為大地的總熱阻。R1～R6之和為熱源的內(nèi)阻，R7為熱源外阻。

圖2樁基埋管換熱器傳熱網(wǎng)絡(luò)

其中，單位長(zhǎng)度的換熱量q一般為已知條件（即恒熱流密度邊界條件），熱源的內(nèi)阻（R1～R6）通過計(jì)算也相對(duì)容易得到[11，12]，所要進(jìn)一步確定的變量為樁基壁面溫度tr，大地的初始溫度t0以及大地的總熱阻R7。樁基壁面溫度tr與換熱器溫度響應(yīng)特性緊密相關(guān)，需要依靠樁基外傳熱模型計(jì)算得到，一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

2.2樁基外傳熱過程的解析模型

埋管換熱器的傳熱模型的建立是最為核心的部分。因?yàn)槊鞔_的解析解有助于對(duì)傳熱的本質(zhì)過程以及工程中的實(shí)際問題的理解，并且能夠簡(jiǎn)化計(jì)算[13]。根據(jù)對(duì)熱源的假設(shè)條件的不同，解析模型可分為以下幾種。

2.2.1早期的傳熱模型

早期樁基埋管型式較為簡(jiǎn)單，學(xué)者認(rèn)為樁基埋管與傳統(tǒng)的垂直埋管在結(jié)構(gòu)上相似（灌注樁的澆灌材料相當(dāng)于傳統(tǒng)埋管的鉆孔回填材料），因此針對(duì)樁基埋管的傳熱理論依然沿襲了傳統(tǒng)的理論，即線熱源理論和圓柱熱源理論[14，15]。

線熱源理論將地下巖土看作是一個(gè)半無限大的介質(zhì)，忽略樁基的徑向尺寸，將樁基及其埋管看作是一個(gè)均勻傳熱的無限長(zhǎng)線熱源，樁基壁面溫度tr即為距離線熱源r0（r0為樁基的實(shí)際半徑）處的溫度。由于樁基內(nèi)介質(zhì)的熱容量相比巖土要小很多，因此可以忽略內(nèi)部介質(zhì)，同時(shí)將埋管的散熱看成直接作用在樁基壁面上，因此形成了空心圓柱面熱源模型。線熱源和空心圓柱面熱源溫度響應(yīng)公式分別為式（1）和（2）。

式中：λ為大地的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；a為大地的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Ei(z)是指數(shù)積分函數(shù)；γ為歐拉常數(shù)，γ≈0.577216。

式中：J0、J1、Y0、Y1分別是零階和一階的第一類和第二類貝塞爾函數(shù)。

樁基埋管的深度在50m左右，樁基的直徑在2～6m之間，兩者差距并不大，忽略垂直方向上的傳熱會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。因此有必要考慮垂直方向上的傳熱，利用虛擬熱源法可以得到有限長(zhǎng)的線熱源或圓柱熱源模型[16]。

2.2.2實(shí)心圓柱熱源模型

樁基螺旋型埋管的特點(diǎn)是換熱器靠近樁基的壁面，不同于傳統(tǒng)的U型結(jié)構(gòu)（靠近中心），線熱源模型不適用[17]；而且樁基內(nèi)部的填料為澆筑的混凝土，其熱容量較大不容忽略，因此空心圓柱熱原模型也不再適用[17，18]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)螺旋型埋管的特點(diǎn)，率先發(fā)展了實(shí)心圓柱熱源模型，該模型不但適用于螺旋型樁基埋管，對(duì)傳統(tǒng)的鉆孔埋管形式同樣適用[19，20]。

實(shí)心圓柱熱源模型考慮樁基內(nèi)部填充有均勻的材料，將螺旋型埋管的發(fā)熱簡(jiǎn)化為一個(gè)從τ=0時(shí)刻均勻發(fā)熱的圓柱體熱源，其半徑為r0。同時(shí)將圓柱截面看成由無數(shù)的線圈組成（即無限長(zhǎng)的實(shí)心圓柱熱源模型），通過積分可以得到一維的溫度響應(yīng)公式，如式（3）所示。利用虛擬熱源法可以得到有限長(zhǎng)的實(shí)心圓柱熱源模型的溫度響應(yīng)[19，20]。

2.2.3線圈熱源模型

實(shí)心圓柱熱源模型將內(nèi)部傳熱簡(jiǎn)化為一個(gè)整體的柱面模型，因此不能分析管壁溫度與熱源內(nèi)部平均溫度的差別；而且由于螺旋埋管在深度方向上有一定的節(jié)距，并不是連續(xù)的線圈，因此國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展了線圈熱源模型[21～23]。

線圈熱源模型考慮到螺旋埋管的特點(diǎn)，將其簡(jiǎn)化為在高度方向上的具有固定節(jié)距的圓形線圈。在建立傳熱模型的過程中，首先考慮單個(gè)線圈的溫度響應(yīng)，然后介質(zhì)中每一點(diǎn)的溫度都可以由所有線圈溫度場(chǎng)的疊加得到，其溫度響應(yīng)方程如式（4）所示[21，22]。利用虛擬熱源法可得到有限長(zhǎng)的線圈模型的溫度響應(yīng)[23]。

式中：ρ為土壤的密度，kg/m3；I0(x)是零階變形貝塞爾函數(shù)。

綜上，樁基外理論模型經(jīng)歷了“無限長(zhǎng)線熱源及圓柱熱源理論——＞有限長(zhǎng)線熱源及圓柱熱源理論——＞實(shí)心圓柱熱源理論——＞線圈熱源理論”的發(fā)展歷程。后期發(fā)展的實(shí)心圓柱面、線圈熱源理論，對(duì)螺旋型埋管等新技術(shù)的分析更為有效。

2.3樁基內(nèi)傳熱模型

目前針對(duì)樁基內(nèi)傳熱過程的研究相對(duì)較少，最為廣泛的研究方法是假設(shè)樁基內(nèi)部傳熱過程是穩(wěn)態(tài)，利用樁基壁面的代表溫度計(jì)算得到。樁基內(nèi)有代表性的傳熱計(jì)算模型是：一維當(dāng)量直徑模型[24]、二維傳熱模型[25，26]、準(zhǔn)三維傳熱模型[27，28]。由于樁基內(nèi)傳熱過程尚未建立廣泛認(rèn)可的解析模型，因此學(xué)者往往依靠數(shù)值解法進(jìn)行分析。

3樁基埋管傳熱過程的數(shù)值研究

樁基埋管傳熱的數(shù)值研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的主流。其研究手段大致分為兩類：一類是利用瞬態(tài)熱平衡理論或離散化理論傳熱模型，建立傳熱的數(shù)值模型，然后用數(shù)值逼近得到傳熱結(jié)果。另一類是利用有限元分析軟件，利用離散化網(wǎng)格技術(shù)，選擇合適的瞬態(tài)熱平衡方程，建立可靠的邊界條件，得到可視化的傳熱過程。

3.1樁基埋管傳熱過程的數(shù)值模型

數(shù)值模型能考慮回填材料[29]、換熱器材料、布置結(jié)構(gòu)[29，30]、土壤分層[31]、土壤各向異性[32]、地下水滲流[33，34]、供回水溫差[2]、軸向傳熱[2，35]等的影響，換熱特性的分析更加精確

Zarrella等[36]通過等效電阻的方法得到簡(jiǎn)單的數(shù)值模型，將傳熱熱阻等效成電阻，將節(jié)點(diǎn)溫度等效成電勢(shì)（中心接地，電勢(shì)為0），傳熱網(wǎng)絡(luò)等效成電阻網(wǎng)絡(luò)。該模型能夠計(jì)算n根埋管的情形，考慮徑向和軸向的傳熱以及供回水溫度的差異。C.K.Lee,H.N.Lam[37]利用半離散化的網(wǎng)格技術(shù)，開發(fā)了一種三維有限差分模型。單根埋管的溫度分布服從線熱源模型，通過n根埋管溫度場(chǎng)的耦合，采用有限差分的顯式格式進(jìn)行求解。該方法可以模擬短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間換熱性能和溫度場(chǎng)的變化。Hyunku Park等[38]針對(duì)螺旋埋管的線圈模型進(jìn)行了數(shù)值研究，將傳熱理論模型通過有限元（有限差分法）進(jìn)行了離散化并得到了數(shù)值模型，還考慮了回水管溫度的不同。

數(shù)值模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⑼寥涝礋岜米鳛橐粋€(gè)整體考慮，分析實(shí)際運(yùn)行工況下?lián)Q熱器對(duì)整體性能的影響。Angelo Zarrella等[39]，Takao Katsura等[40]利用數(shù)值算法（熱平衡模型采用中心差分法，熱阻采用等效電阻法），利用兩個(gè)具體的模型將樁基換熱器與熱泵設(shè)備完全耦合，得到了土壤源熱泵的綜合性能的一體化仿真技術(shù)。

3.2樁基埋管換熱器的CFD模擬

隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）的不斷提高，越來越多的學(xué)者利用CFD模擬分析樁基埋管換熱器的性能[41～44]，包括各種通用CFD軟件（FEMLAB、TRNSYS、FLUENT、ANSYS等）和土壤源熱泵設(shè)計(jì)軟件（GLHEPRO、GS2000、PileSIM等）。由于這些軟件內(nèi)核已經(jīng)集成了各種瞬態(tài)平衡方程的數(shù)值算法，因此計(jì)算過程大大簡(jiǎn)化，而且通過可視化處理可以得到更為直觀的溫度場(chǎng)分布圖像。

Pahud和Fromentin[41]提供了一個(gè)基于TRNSYS核心的樁基埋管換熱器設(shè)計(jì)軟件——PileSIM，能夠準(zhǔn)確模擬包括樁基內(nèi)部和外部的整個(gè)傳熱過程，并且利用管道地面蓄熱模型（DST）提高了瞬態(tài)熱平衡模型的計(jì)算精度。蘇黎世機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目的成功運(yùn)行證明了該模擬工具能夠符合U型樁基埋管的設(shè)計(jì)要求[42]Wenke Zhang等[43]在線圈熱源模型的基礎(chǔ)上，利用三維數(shù)值模型對(duì)多樁基交叉影響的作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，樁基內(nèi)部采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論，樁基外部采用瞬態(tài)導(dǎo)熱理論，同時(shí)考慮了地下水滲流的影響。M.E. Suryatriyastuti等[44]建立了樁基埋管的能量平衡、質(zhì)量平衡和動(dòng)量平衡方程，并使用半離散化網(wǎng)格技術(shù)建立了螺旋管和U型管的三維物理模型。

國(guó)內(nèi)的劉希臣等[45]采用ANSYS對(duì)U型和螺旋型樁基埋管換熱器進(jìn)行建模和模擬，模擬選擇非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，管內(nèi)傳熱介質(zhì)流動(dòng)選擇k-ε模型，動(dòng)量方程與能量方程耦合求解。李芃等[46]對(duì)垂直埋管周圍環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用有限元法求解模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得出垂直埋管向地下放熱量與埋深、埋管的熱作用半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。張旭等[47]研究了上海世博軸工程的熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性，其中樁基埋管換熱器承擔(dān)總冷負(fù)荷的30%，采用W型埋管方式。模擬采用二維無限大無內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，土壤假設(shè)為均質(zhì)各向同性，模擬顯示運(yùn)行五年后地溫上升0.81℃，每年溫升逐漸趨于穩(wěn)定。

建立數(shù)值模型的關(guān)鍵在于選擇傳熱模型和離散化數(shù)值方法，CFD模擬的關(guān)鍵在于確定物理模型、邊界條件和計(jì)算參數(shù)。物理模型一般通過離散化的二維或三維網(wǎng)絡(luò)建立實(shí)際或等比例的換熱器模型；邊界條件則根據(jù)實(shí)際需要選擇適當(dāng)?shù)膫鳠徇吔缒Ｐ停挥?jì)算參數(shù)則包括：流體與管內(nèi)壁面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、地表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、大氣溫度、土壤分層溫度、多孔介質(zhì)土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)[48]。通過上述文獻(xiàn)的總結(jié)，國(guó)外學(xué)者對(duì)數(shù)值手段的研究較為廣泛，利用有限元法、等效半徑法等建立了諸多數(shù)值模型，而且傾向于研究換熱器對(duì)熱泵整體性能的影響。而國(guó)內(nèi)學(xué)者較多的采用CFD模擬研究，但是存在假設(shè)條件過多，邊界條件不明確等問題，不能體現(xiàn)CFD模擬的優(yōu)勢(shì)，未來需要加強(qiáng)對(duì)土壤分層和溫度動(dòng)態(tài)特性、地下水滲流、樁基回填材料特性等影響因素的研究工作。

4樁基埋管的試驗(yàn)研究

樁基埋管的試驗(yàn)研究，較早開始于日本及北歐國(guó)家，日本的K.Morino首先提出了鋼樁內(nèi)埋管的概念，瑞士的Pahud等提出了混凝土樁基內(nèi)埋管技術(shù)，并進(jìn)行了一系列試驗(yàn)[41，49，50]。早期的試驗(yàn)往往是針對(duì)U型等簡(jiǎn)單模型，研究顯示樁基埋管換熱性能較高[50]，這是由于樁基內(nèi)的回填材料一般為混凝土，其導(dǎo)熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鉆孔回填材料。其后，在樁基埋管的傳熱性能、地下土壤溫度場(chǎng)、熱作用半徑以及影響樁埋管地下?lián)Q熱器傳熱因素等方面取得了許多寶貴的成果。

Jalaluddin等[51]研究了鋼樁內(nèi)三種埋管換熱器的換熱性能，分別為：U型、雙U型和并聯(lián)3U型。研究對(duì)象包括：土壤、管壁、樁基壁、供回水的溫度特性，換熱器的換熱效率，流量、進(jìn)水溫度對(duì)換熱效率的影響等。研究表明，供回水的溫度差由于存在“熱短路”會(huì)影響換熱器的換熱效率，由此建議回水管采取絕熱措施；回灌材料的導(dǎo)熱性能影響U型和并聯(lián)3U型較大；雙U型受土壤溫度的影響較大；相同條件下，換熱效率從高到低分別為：雙U型＞并聯(lián)3U型＞U型。Wood等[52]針對(duì)一個(gè)住宅樓的樁基埋管地源熱泵項(xiàng)目開展了2007～2008兩年制熱工況下的試驗(yàn)研究，主要研究熱泵性能以及周圍土壤溫度場(chǎng)的變化情況。測(cè)試的樁基埋管有21根，深度10m。研究表明，熱泵的季節(jié)性能系數(shù)為3.62；在5m的深度測(cè)試顯示土壤溫度未有明顯的波動(dòng)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在2000年以后也開展了較為廣泛的試驗(yàn)，研究對(duì)象包括：樁基埋管單位深度的換熱量，換熱器及周圍土壤溫度的變化，不同埋管形式的熱流量差異，樁基與鉆孔地源熱泵性能的差異等[53，54]。

李魁山等[55]對(duì)W型、單U型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型4種不同形式埋管換熱器的換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：W型換熱性能優(yōu)于其他形式；5年運(yùn)行模擬得出，土壤沒有出現(xiàn)明顯的溫度差異，可以保證熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行10年以上；在相同條件下，傳熱性能從弱到強(qiáng)依次為鉆孔單U型、樁基W型、樁基并聯(lián)雙U型，樁基W型兩倍流量、樁基并聯(lián)三U型。李新國(guó)等[56]對(duì)U型樁基和井埋管回填材料的影響進(jìn)行研究，得到了樁基埋管的換熱效果和穩(wěn)定性要優(yōu)于U型井埋管，說明不同回填材料對(duì)埋管換熱器的換熱效果有一定影響；研究樁基埋管短期運(yùn)行對(duì)周圍土壤溫度分布的影響，得到取熱工況和放熱工況下，樁基埋管換熱器的熱作用半徑分別為l～l.5m和1.5～2m。

5結(jié)論

針對(duì)樁基埋管的研究工作主要針對(duì)兩個(gè)方面：樁基埋管的換熱性能，土壤溫度場(chǎng)的恢復(fù)特性。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)此方面的理論研究、數(shù)值研究和試驗(yàn)研究都較為充分，而且數(shù)值研究由于滿足復(fù)雜物理模型和運(yùn)行下的分析，逐漸成為主流。

影響樁基埋管換熱性能的因素主要是兩個(gè)方面：土壤換熱特性，包括土壤初始溫度、土壤吸收或釋放熱量的性能、土壤熱擴(kuò)散性能、土壤熱傳導(dǎo)性能、地下水滲流等；樁基自身換熱特性，包括樁基的直徑、換熱器埋管的直徑、壁厚、埋管數(shù)量、排列組合、埋管內(nèi)熱流、回灌材料的導(dǎo)熱性能等。目前針對(duì)土壤的換熱特性、樁基內(nèi)換熱理論的研究還不充分，是今后進(jìn)一步研究的方向。

[1]H Brandl.Energy foundations and other thermal-active ground structures[J].Geotechnique 2006,56(2):81-122

[2]D Bozis,K Papakostas,N Kyriakis.On the evaluation of design parameters effects on the heat transfer efficiency of energy piles [J].Energy and Buildings,2011,43(4):1020-1029

[3]L Laloui,M Moreni,L Vulliet.Behavior of a dual-purpose pile as foundation and heat exchanger[J].Canadian Geotechnical Journal,2006,40(2):388-402

[4]Desmedt J,Hoes H,Van Bael J.Status of Underground Thermal Energy Storage in Belgium[R].Ecostock:2006

[5]Wood C J,Liu H,Riffat.Use of energy piles in a residential build -ing and effects on ground temperature and heat pimp efficiency [J].Geotechnique,2009,59(3):287-290

[6]Pahud D,Hubbuch M.Measured thermal performances of the energy pile system of the dock midfield at Zurich Airport[R]. European Geothermal Congress,2007

[7]Revision and Edition Committee from Survey&Design to Imple -mentation of Pile Foundation,From Survey&Design to Implem -entation of Pile Foundation[R].The Japanese Geotechnical Society,1993

[8]Hamada Y,Saitoh H,Nakamura M,et al.Field performance of an energy pile system for space heating[J].Energy Build,2007,39 (5):517-524

[9]Man Y,Yang H,Diao N,et al.Development of spiral heat source model for novel pile ground heat exchangers[J].HVAC R Res, 2011,17(6):1075-88

[10]H BRANDL.Energy foundations and other thermo-active ground structures[J].Geotechnique,2006,56(2):81-122

[11]王勇.地源熱泵的套管式地下?lián)Q熱器研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1997,(5):13-17

[12]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006

[13]Hikmet Esen,Mustafa Inalli,Mehmet Esen,et al.Energy and ener -gy analysis of a ground-coupled heat pump system with two horizontal ground heat exchangers[J].Building and Environment, 2007,42(10):3606-3615

[14]J E Bose,J E Bose,J D Parker,et al.Design/Data Manual for Cloosedloop Ground Coupled Heat Pump Systems[M].Oklahoma State University,1985

[15]P Eskilson.Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes[D]. Lund(Sweden):University of Lund,1987

[16]H Y Zeng,N R Diao,Z H Fang.A finite line-source model for boreholes in geothermal heat exchangers[J].Heat Transfer-Asian Res.,2002,31(7):558-567

[17]Man Y,Yang H,Diao N,et al.Development of spiral heat source model for novel pile ground heat exchangers[J].HVAC R Res., 2011,17(6):1075-1088

[18]SKhan Park,Seung-Rae Lee.Characteristics of an analytical solut -ion for a spiral coil type ground heat exchanger[J].Computers and Geotechnics,2013,49:18-24

[19]Yi Man,Hongxing Yang,Nairen Diao,et al.A new model and analytical solutions for borehole and pile ground heat exchangers [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53: 2593-2601

[20]Wenke Zhanga,Hongxing Yang,Lin Lu,et al.The analysis on solid cylindrical heat source model of foundation pile ground heat exchangers with ground water flow[J].Energy,2013,55:417-425

[21]Ping Cui,Xin Li,Yi Man,e t al.Hea t transfer analysis of pile geothermal heat exchangers with spiral coils[J].Applied Energy, 2011,88(11):4113-4119

[22]李新,方亮,趙強(qiáng),等.螺旋埋管地?zé)釗Q熱器的線圈熱源模型[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,(增):235-238

[23]李新,方亮,趙強(qiáng).螺旋埋管地?zé)釗Q熱器的線圈熱源模型及其解析解[J].熱能動(dòng)力工程,2011,26(4):475-479

[24]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006

[25]Hellstrom G.Ground Heat Storage,Thermal analysis ofDuct Storage System[D].Sweden:University of Lund,1991

[26]Diao N R,Cui P,Fang Z H.The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchanger[A].In:Proc.12th InternationalHeat Transfer Conference[C].2002

[27]Diao N R,Li Q Y,Fang Z H.Improvement on modeling of heat transfer in vertical ground heat exchangers[J].International Journal of HVAC&Research,2004,10(4):459-470

[28]曾和義,方肇洪.雙U型埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱模型[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(1):6-9

[29]趙軍,吳挺,朱強(qiáng),等.U型管樁埋換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模擬研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2005,26(1):59-62

[30]張正威,陳忠購(gòu),李西斌,等.地埋管換熱器和能量樁傳熱性能研究[R].第21屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議,2012

[31]Lee CK.Effects of multiple ground layers on thermal response test analysis and ground-source heat pump simulation[J].Applied Energy,2011,88(12):4405-4410

[32]Choi JC,Lee SR,Lee DS.Numerical simulation of vertical groun -d heat exchangers:intermittent operation in unsaturated soil conditions[J].Comput Geotech,2011,38:949-58

[33]Nam Y,Ooka R,Hwang S.Development of a numerical model to predict heat exchange rates for a ground source heat pump sysem [J].Energy and Buildings,2008,40(12):2133-2140

[34]Raymond J,Therrien R,Gosselin L,et al.Numerical analysis of thermal response tests with a groundwater flow and heat transfer model[J].Renewable Energy,2011,36(1):315-324

[35]余延順,馬最良.土壤耦合熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器埋管深度影響因素的模擬分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2003,24(6):5-9 [36]Angelo Zarrella,Michele De Carli,Antonio Galgaro.Thermal performance of two types of energy foundation pile:Helical pipe and triple U-tube[J].Applied Thermal Engineering,2013,61: 301-310

[37]C K Lee,H N Lam.A simplified mode l of energy pile for ground -source heat pump systems[J].Energy,2013,55:838-845

[38]Hyunku Park,Seung-Rae Lee,Seok Yoon.Case study of heat transfer behavior of helical ground heat exchanger[J].Energy and Buildings,2012,53:137-144

[39]Angelo Zarrella,Antonio Capozza,Michele De Carli.Performannce analysis of short helical borehole heat exchangers via integrated modelling of a borefield and a heat pump:a case study[J]. Applied Thermal Engineering,2013,61:36-47

[40]Takao Katsura,Katsunori Nagano,Shigeaki Narita,et al.Calculat -ion algorithm of the temperatures for pipe arrangement of multiple ground heat exchangers[J].Applied Thermal Engineering, 2009,29:906-919

[41]Daniel Pahud,Antoine Fromentin.PILESIM:a simulation tool for pile and borehole heat exchanger systems[R].European Geothermal Conference,1999

[42]Pahud D,Fromentin A,Hubbuch M.Heat exchanger pile system for heating and cooling at Zurich Airport[J].IEA Heat Pump Centre Newsletter,1999,17(1):15-26

[43]Wenke Zhanga,Hongxing Yang,Lin Lu,et al.Investigation on heat transfer around buried coils of pile foundation heat exchangers fo r ground-coupled heat pump applications[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55:6023-6031

[44]M E Suryatriyastuti,H Mroueha,S Burlon.Understanding the temperature-induced mechanical behavior of energy pile foundations[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2012,16: 3344-3354

[45]劉希臣,肖益民,付祥釗.不同形式地埋管換熱器換熱性能數(shù)值計(jì)算分析[J].煤氣與熱力,2013,33(2):8-11

[46]李芃,仇中柱,于立強(qiáng).垂直埋管式土壤源熱泵埋管周圍土壤溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2000,(4):1-4

[47]張旭,王松慶,劉俊.世博軸及地下綜合體工程地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性模擬研究[J].制冷技術(shù),2010,(增):13-16

[48]袁艷平,雷波,余南陽,等.地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究(2):傳熱過程的完全數(shù)學(xué)描述[J].暖通空調(diào),2009,39(7):9-12

[49]Morino K,OkaT.Study on heat exchanged in soil by circulating water in a steel pile[J].Energy and Buildings,1994,21(1):65-78

[50]Laloui Lyesse,Moreni Matteo,Vulliet Laurent.Behavior of a bi-functional pile,foundation and heat exchanger[J].Canadian Geotechnical Journal,2003,40(2):388-402

[51]Yasuhiro Hamada,Hisashi Saitoh,Makoto Nakamura,et al.Field performance of an energy pile system for space heating[J].Energy and Buildings,2007,39:517-524

[52]Christopher J Wood,Hao Liu,Saffa B Riffat.An investigation of the heat pump performance and ground temperature of a piled foundation heat exchanger system for a residential building[J]. Energy,2010,35:4932-4940

[53]趙軍,宋德坤,李新國(guó),等.埋地?fù)Q熱器放熱工況的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2005,26(2):162-165

[54]宮喜龍,周志華,于洋.樁基地埋管換熱器傳熱性能研究[J].煤氣與熱力,2008,28(4):1-3

[55]李魁山,張旭,高軍,等.樁基式土壤源熱泵換熱器換熱性能及土壤溫升研究[A].見:中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編[C].2007

[56]李新國(guó),汪洪軍,趙軍,等.不同回填材料對(duì)U型垂直埋管換熱性能的影響[J].太陽能報(bào),2003,24(6):810-813

Re vie w on the Re s e a rc h a nd De ve lopm e nt of Ene rgy Pile s in Ground Sourc e He a t Pum p

SHANG Chao,LI Peng
College of Mechanical Engineering,Tongji University

In recent years,as a new kind of heat pump combination form in renewable energy field,ground source heat pump with energy piles has been widely applied.The present research situation was obtained by summarizing the literatures about the system used in construction,including its principle,structure,heat transfer model,numerical simulation and experimental research,etc.Especially the heat transfer law characteristic,temperature field underground soil and the factors influent the heat transfer of pile foundation buried pipe in the system test study were elaborated in this paper.

energy pile,heat transfer model,numerical simulation,test performance

1003-0344（2014）05-051-6

2013-9-22

尚超（1989～），女，碩士研究生；上海市同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（201804）；E-mail:alliy@126.com