【摘 要】地源熱泵由于其高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn),近年來日益受到人們的重視。傳統(tǒng)地源熱泵的直埋管換熱器占地面積較大,這就使得城市中大型建筑使用地源熱泵具有一定的局限性。如果能夠在樁基中埋設(shè)PE管,利用樁基和土壤較大的接觸面積和帶有鋼筋籠的混凝土樁導(dǎo)熱系數(shù)比一般巖土高的優(yōu)勢,地源熱泵的應(yīng)用前景將會(huì)更廣。
【關(guān)鍵詞】雙U型樁基埋管;換熱性能;取熱量;放熱量
0.引言
長期以來,國內(nèi)外對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在直埋管的布置及傳熱機(jī)理(鉆孔埋管)、回填材料對(duì)換熱性能的影響等,對(duì)樁基埋管的研究非常少。所謂樁基型土壤源熱泵,就是將傳統(tǒng)的土壤源熱泵與建筑用的地埋樁基相結(jié)合,在打地基之前,將土壤源熱泵的地埋管鋪設(shè)在打樁用的鋼筋籠中,并隨鋼筋籠一并埋入地中,最后澆筑水泥。本文研究主要內(nèi)容包括:
1.樁基型地源熱泵
對(duì)于地源熱泵來說,最關(guān)鍵的是換熱能力。在樁基中由于水泥的傳熱系數(shù)很大,而且在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)將熱量傳導(dǎo)出去。所以可以近似地把地埋管和水泥看做一個(gè)整體,并且水泥的溫度近似與地埋管中水溫一致,從而相當(dāng)于把傳統(tǒng)的直埋型地埋管換熱半徑擴(kuò)大。這樣子看來,樁基埋管的換熱面積大大增加,換熱能力應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直埋型熱泵。
1.1土壤源熱泵工作特點(diǎn)
土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性,通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱,向建筑物供暖;夏季向土壤排熱,為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源,通過高效熱泵機(jī)組向建筑物供熱或供冷。初投資偏高,機(jī)房面積較小,節(jié)省常規(guī)系統(tǒng)冷卻塔可觀的耗水量,運(yùn)行費(fèi)用低。
1.2土壤源熱泵的應(yīng)用條件
總結(jié)了近幾年的工程實(shí)例和參考文獻(xiàn)得出共有4個(gè)條件。①同時(shí)具有夏冬空調(diào)負(fù)荷,并且年冷熱負(fù)荷較接近時(shí)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行更有利;②當(dāng)?shù)叵峦寥罍囟仍?3-19℃時(shí),土壤換熱器的效果最為顯著,而我國大部分的夏熱冬冷地區(qū)最為合適;③當(dāng)?shù)?00M之內(nèi)不存在堅(jiān)硬地層,而存在保水性好的砂土層對(duì)土壤源熱泵實(shí)施起來更有利;④具備合適的土壤換熱器布置面積。
1.3土壤源熱泵特點(diǎn)
1.3.1輔助動(dòng)力少
評(píng)價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)性能參數(shù)之一是輔助動(dòng)力,它是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。為了保證充分的熱交換和地下管道的水力平衡,地下埋管系統(tǒng)嚴(yán)格控制臨界速度,因?yàn)樗鞒鲇趯恿鳡顟B(tài),傳熱會(huì)惡化,甚至由于水流速度慢,會(huì)出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象,氣塞會(huì)造成水利不平衡。而在紊流狀態(tài)下增加流速不會(huì)對(duì)傳熱帶來多大的改善,因?yàn)榇藭r(shí)熱阻主要有管道熱阻造成,水的熱阻相對(duì)來說很小,此時(shí)增加流速只會(huì)增加泵的容量。
1.3.2運(yùn)行管理方便,運(yùn)行狀況好
土壤源熱泵另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的維護(hù)要求不高。首先這種系統(tǒng)減少了室外許多運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備,不需要冷卻塔,鍋爐這種長期維護(hù)設(shè)備。另外對(duì)于熱泵系統(tǒng)來說為了解決結(jié)霜問題,人們不得不采用電加熱等方式間接的位設(shè)備除霜融霜后的設(shè)備突然啟動(dòng)就更危險(xiǎn)。而熱泵系統(tǒng)與大地接觸,與大地?fù)Q熱保證了不會(huì)結(jié)霜。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)部件少則系統(tǒng)噪音小。
2.模擬過程
2.1模型的建立以網(wǎng)格劃分
GAMBIT以繪圖方式輸入模型的幾何形狀,本模型包括的幾何體有圓柱樁、雙U型管內(nèi)的水、U形管(兩個(gè)并聯(lián))和土壤。樁的直徑為1M,土壤平均初始溫度18℃。而對(duì)于管內(nèi)水流速度,雖然流速越大,紊流越強(qiáng),造成的換熱量增大,但對(duì)于循環(huán)泵的壓力也越大,綜合考慮雙U型樁基埋管的水流速度為0.6m/s。其余是模型建立時(shí)的一些數(shù)據(jù)如下:PE管入口湍流強(qiáng)度為0.05,水力直徑0.02m,PE管出口為單向流出口,土壤垂直及上部邊界層假定絕熱,土壤底部邊界層18℃,土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.300(w/m·k),密度1847(kg/m),比熱(1200j/kg);鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.628(w/m·k),密度2500(kg/m),比熱837(1200j/kg),PE管導(dǎo)熱系數(shù)0.420(w/m·k),密度1100(kg/m),比熱1465(1200j/kg),網(wǎng)格劃分原則是:計(jì)算區(qū)域三維網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格單元。從管內(nèi)流體、鋼筋混凝土樁基、土壤由密到疏的三級(jí)模式。管內(nèi)流動(dòng)加載了必要的邊半徑包括研究的土壤半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于井深,因此屬于細(xì)長形的幾何體。在劃分網(wǎng)格時(shí),考慮到溫度在井深方向上變化很小,而在徑向卻變化很大,所以沿井深方向上的網(wǎng)格劃分較稀疏。在U形管下部的彎管處,由于流場變化劇烈,且曲度較大,所以要加密對(duì)網(wǎng)格的劃分,避免網(wǎng)格有較大的傾斜角。
2.2模擬結(jié)果
表1 夏季單位井深放熱量隨進(jìn)水溫度的變化
可以看出,換熱量隨進(jìn)口水溫增加線性增加。如果提高地源熱泵在夏季運(yùn)行中U形管進(jìn)口水溫將有利于U形管與土壤傳熱。使用較高的進(jìn)口水溫,將會(huì)大大加強(qiáng)U形管與周圍土壤的換熱。這主要是由于進(jìn)口水溫較高時(shí)水與周圍土壤的可利用溫差較大,換熱得到加強(qiáng)所致。可以推想,在冬季運(yùn)行工況下,如果U形管的進(jìn)口水溫降低,也會(huì)使水與土壤的溫差加大,必然也能增加單位管長的換熱量。但埋管進(jìn)口水溫越高,(在夏季)熱泵機(jī)組的效率也越 低。因此,應(yīng)綜合考慮選擇適宜的水溫。綜合考慮夏季雙U型埋管進(jìn)水溫度36℃較適宜。
表2 冬季單位井深取熱量隨進(jìn)水溫度的變化
表3 鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)雙U型埋管換熱性能的影響
表2展現(xiàn)出冬季管內(nèi)進(jìn)水溫度變化時(shí),埋管放熱量的值。和夏季的原理一樣,綜合考慮冬季雙U型埋管進(jìn)水溫度6℃較適宜。需要補(bǔ)充的是,水流速度也影響換熱性能。流速越大,湍流越強(qiáng),換熱強(qiáng)度就越大。但水流速大于0.6m/s后,換熱量的增加并不是很明顯,在這種情況下一味的增加水流速度增加了循環(huán)泵的負(fù)擔(dān),COP值降低,效率也不高。所以綜合考慮選0.6m/s合適。
分別取導(dǎo)熱系數(shù)1.0w/(m·℃)到2.0w/(m·℃)的各種鋼筋混凝土在冬季工況下運(yùn)行模擬,結(jié)果表明:樁基埋管換熱量隨其導(dǎo)熱系數(shù)增加而增加,所以在實(shí)際工程中盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的鋼筋混凝土以提高換熱量。
4.結(jié)論
(1)雙U型樁基埋管夏季管內(nèi)供水溫度36℃較為合適。
(2)雙U型樁基埋管冬季管內(nèi)進(jìn)水溫度6℃較為合適。
(3)鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.6~1.8w/(m·℃)較為合適。
【參考文獻(xiàn)】
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