圆台型螺旋能量桩换热性能的数值模拟研究

甘飞 黄光勤 张洪宇 庄春龙 成镭 许宁格

陆军勤务学院军事设施系

0 引言

能量桩[1]是一种依托于建筑基础而设置的桩基地埋管换热器，也是地源热泵与土壤源实现热量交换的关键部件，其换热特性直接影响热泵机组的效率及运行。能量桩可分为U 型和螺旋型[2-6]，相较U 型能量桩，螺旋型能量桩具有几何结构复杂、桩径大、埋深浅、单位深度换热量大、换热效率高[7]等特点，单纯地以U 型 能量桩模型已不能准确反映其传热机理及特性。为此，关于螺旋型能量桩的研究应运而生。

本文将以具有高传热性能的圆台型螺旋能量桩为研究对象，通过机理简化，采用环形管等效热源数值模拟模型，进一步分析不同锥角的圆台型螺旋能量桩在相同螺距时的内部传热特性。

1 圆台型螺旋能量桩数值解模型

1.1 圆台型螺旋能量桩结构

圆台型螺旋能量桩的几何结构呈圆台型，其布置如图1 所示。螺旋换热管缠绕在由钢筋制成的圆台面上，圆台的锥角为θ，相邻螺旋管间的距离d保持相等，螺旋管的螺旋半径r沿深度z 方向线性递减。整个圆台型螺旋能量桩埋于地下，螺旋换热管顶部半径为rt，底部半径为rb，其中rt ＞ rb。螺旋换热管顶部离地面距离为ht，底部距离地面距离为hb。相邻螺旋管间的距离d与深度方向z上螺距b的关系为b=d·c os(θ)。

图1 圆台型螺旋能量桩

1.2 圆台型螺旋能量桩数值解模型

圆台型螺旋能量桩运行时，流体从螺旋换热管内顶部进入，沿换热管螺旋流动，同时与回填区域进行热交换，最后由螺旋换热管底部流出进入热泵机组下一部件。……