《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Effect of active grout irrigation in ground heat exchangers with helical-shaped pipe
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研究人员开发了pyCaRM模型以模拟地层随时间的演化行为，并针对既有建筑进行钻孔场规模合理辨识。研究提出螺旋形钻孔换热器（Helical Borehole Heat Exchanger，HBHE）与三种灌浆（grout）灌溉策略，通过质量平衡逐时更新灌浆含水率
研究人员开发了pyCaRM模型以模拟地层随时间的演化行为，并针对既有建筑进行钻孔场规模合理辨识。研究提出螺旋形钻孔换热器（Helical Borehole Heat Exchanger，HBHE）与三种灌浆（grout）灌溉策略，通过质量平衡逐时更新灌浆含水率，进而动态修正其导热系数与热容。结果表明，所提三种灌溉策略均可提升系统季节性能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER），但同时证明灌浆灌溉系统设计对避免辅助能耗抵消增效至关重要；研究进一步将辅助灌溉系统自身耗电纳入净能量平衡评估，而非仅看换热端增益。
研究背景与问题提出
地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）以岩土体为热源或热汇，因地下温度全年相对稳定，供热供冷能效通常高于空气源热泵（Air Source Heat Pump，ASHP）。既有解析模型（如pygfunction、GLHEPro）多假设岩土参数时空均质，难以刻画水分迁移与降雨入渗引起的导热系数动态变化；数值模型虽可耦合热湿传递，但常限于浅层一维或复杂有限元计算成本过高。主动调控策略以往聚焦于相变灌浆材料或深井人工地下水驱流，未针对浅层螺旋形换热器提出“可控灌浆灌溉”这一运行端手段，也缺乏对其净能耗的量化。
研究开展与总体结论
研究人员以意大利Padova既有建筑为对象，将电容-电阻模型（Capacity-Resistance Model，CaRM）扩展为CaRM-He，耦合灌浆含水率质量平衡与热传导方程，对螺旋形钻孔换热器开展20年动态仿真，对比基准工况与三种依冷负荷时序差异的灌溉策略。结果显示：灌溉可提升灌浆区热导与热容，改善换热并抬高季节性能效比；但灌溉系统自身电耗必须计入净能量平衡，设计不当会削弱收益。该工作发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，意义在于首次把“灌浆灌溉”作为浅层螺旋换热器的主动增效回路，并提供可核算净能效的建模框架。
主要关键技术方法
研究人员采用CaRM-He电阻-电容网络离散钻孔与周边岩土，轴向-径向节点化并区分上、中、下三层边界条件；通过逐时质量平衡更新灌浆体积含水率θ，并依此映射灌浆导热系数k(θ)与体积热容ρcp (θ)；以Kusuda-Achenbach方程给定远场温度边界；针对Padova既有建筑冷负荷序列，设置基准与三种灌溉时序策略，连续仿真20年，并单独计量灌溉泵组等辅助用电以核算净SEER。
研究结果
2.1 The CaRM model
研究人员基于傅里叶导热方程构建CaRM-He网络，将螺旋管、灌浆区与三层土体离散为热容节点与热阻连接，支持含水率依赖的热物性在线更新，实现钻孔尺度瞬态传热与长期地层演化的联合求解。
2.2 灌溉策略与工况设置
研究定义三种依冷负荷相位排布的灌浆注水策略，在20年建筑仿真中对比基准干态工况，记录灌浆含水率演变、钻孔出口温度与热泵能耗。
2.3 热性能与能效结果
灌溉使灌浆区等效导热增强，钻孔传热改善；三种策略均获得正向季节性能效比提升，但提升幅度高度依赖注水时机与灌溉量。
2.4 净能量平衡
计入灌溉泵与输配电耗后，部分高水量策略净收益下降，证明系统边界必须包含辅助能耗，否则会高估增效。
讨论与结论翻译
讨论指出，活性灌浆灌溉可兼具深井垂直系统的高效与浅层螺旋系统低成本安装的优势，但灌浆饱和路径与灌溉频次需协同优化。结论如下：研究人员证实，将螺旋钻孔换热器与受控灌浆灌溉耦合具备可行性与能效潜力；所建pyCaRM框架能够量化水分-热力耦合效应及辅助能耗；三种灌溉策略在不同冷负荷时序下均改善季节性能效，然而净能量平衡评估表明，灌浆灌溉系统设计是决定其工程经济性的关键，需在换热增益与自身电耗间取得平衡。
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