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桩基螺旋埋管换热器的应用研究 1 2 3 李新 张龙 方肇洪 1.同圆设计集团有限公司 2.山东省建设建工集团消防工程有限公司 3.山东建 筑大学 摘要：地源热泵空调系统通常需要足够大的室外面积来设置地埋管换热器，这成为制约 地源热泵空调系统在建筑容积率大的场合推广应用的主要障碍；同时，与传统空调系统相比， 较高的钻孔费用也在一定程度上降低了地源热泵空调系统的经济适用性。桩基埋管换热器是 一种新型的埋管方式，它是直接将地埋管换热器的换热管埋于建筑物的混凝土桩基中，使其 与建筑结构相结合，成为桩基埋管换热器，也称作能量桩。在实际计算方法中，利用螺旋线 热源模型来分析桩基螺旋埋管换热器的管壁和管内流体温度的变化。通过一个具体的工程实 例，来模拟计算热泵进出口流体的温度。这些工作为能量桩技术的工程应用打下了坚实的理 论基础。 关键词：螺旋管，传热模型，设计计算 1、引言 桩基埋管换热器是将地源热泵系统地埋管换热器的塑料换热管埋于建筑物的混凝土桩 基础中，使其与建筑结构相结合，代替传统的钻孔埋管换热器。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。国外有些文献称之为“能量 桩”技术。桩基埋管换热器是地埋管换热器的一种新形式，因此采用能量桩的地源热泵系统 也属于地埋管地源热泵系统。 桩基埋管换热器与传统的竖直钻孔埋管换热器一个重要的区别在于两者回填材料的不 同。桩基埋管换热器是在建筑物地下桩基础中埋设塑料管换热器，其回填材料是水泥混凝土， 混凝土的传热性能优于其他钻孔回填材料。由此可定性推论，桩基埋管换热器的传热效果要 优于用普通回填材料的钻孔埋管换热器 [8] 。另外由于混凝土具有较好的密实性，使得埋管与 桩基础、桩基础与大地接触紧密，可减少接触热阻，强化循环工质与大地土壤的传热。由于 桩基的间距较大，各换热管间的热干扰也大大降低，地下换热器的换热工况更为稳定。 2、桩基螺旋埋管换热器 我国的建筑物桩基础形式多样，本文中所说的能量桩都是指在钻孔灌注桩中埋设塑料管 换热器而成。 换热管埋于建筑物桩基础中的主要方式：是将换热管（一般是 PE 管）先固定在预制空 心钢筋笼壁的内侧，然后随钢筋笼一起下到桩井中，再浇筑混凝土。这种换热管埋于桩中的 1形式应用较为广泛。 在目前已有的桩基埋管换热器研究中，桩基埋管主要采用了五种形式： 单 U 型、串联 1李新， 女，1985 年 9 月，硕士，暖通设计师，工程师，250001，山东济南高新区舜华路 2000 号舜泰广 场 11 号楼leexin198509@163..com 双 U 型（W 型）、并联双 U 型、并联三 U 型和单螺旋形。 在目前国内外为数不多的已有桩基埋管换热器的研究应用中，桩基埋管换热器主要延用 钻孔埋管的 U 型或 W 型的布管技术。在地源热泵系统的传统地埋管换热器中就有将塑料埋管 螺旋盘绕的地热换热器，这种螺旋埋管可以增加管的传热面积，多数用于水平埋管形式。如 果将 PE 管螺旋盘绕固定在建筑物地下桩基础的预制空心钢筋笼上，然后随钢筋笼一起下到 桩井中，并浇注混凝土，这样就成为桩基螺旋埋管地热换热器。 和其他埋管方式相比, 桩基螺旋埋管地源热泵系统可以充分利用建筑物自身的地下面 积，将桩基础与周围大地作为换热介质，可以省去大量的钻孔和埋管费用，施工也极为方便 快捷。这将为地源热泵空调系统的推广应用开辟更为广阔的前景。 2.1桩基螺旋埋管地源热泵空调系统 采用能量桩的地埋管地源热泵空调系统的示意图如下图所示： 图2.1 采用能量桩的地埋管地源热泵空调系统示意图 1-桩基螺旋埋管换热器；2-地源侧分水器；3-地源侧集水器； 4-地源侧循环泵；5-用户侧循环泵 桩基螺旋埋管地源热泵空调系统与钻孔埋管地源热泵空调系统相似，也主要由三部分组 成：桩基螺旋埋管地热换热器、热泵机组内部的制冷与制热系统、向建筑物内的输送和末端 系统。桩基螺旋埋管地热换热器实现管内循环液（纯水或以水为主要成分的防冻液）与土壤 （固体）之间的热交换，各个桩基螺旋埋管可以串联也可以并联