（热能工程专业论文）桩埋管地源热泵传热研究及施工工艺探讨.pdf

摘要 能源与环境污染问题是当今世界各国面临的重大社会问题。随着社会各界 对于节能工作的重视，更多的节能环保技术得到了广泛应用。地源热泵作为一 种高效率、绿色环保的热水、取暖和制冷系统也得到了更多的青睬。但是，热 泵水平和垂直埋管的地下换热方式受到土地面积及埋管初投资过高等诸多因素 的影响，或多或少降低了地源热泵系统的经济适用性。而桩埋管作为一种较新 的埋管形式，给地源热泵的应用带来了新的亮点。 对于我国城市人口稠密、耕地资源稀缺的国情来说，节省土地空间的竖直埋 管方式当然是地源热泵研究和应用的主要方面。桩埋管作为最近几年新出现的一 种埋管方式，即把地下u 型管换热器埋于建筑物混凝士桩基中，使其与建筑结构 相结合，充分的利用了建筑物的面积，通过桩基与周围大地形成换热从而减少 了钻孔和埋管费用。由于建筑物桩基的自有特点，使u 型管与桩、桩与大地接触 紧密，从而减少了接触热阻，强化了循环工质与大地土壤的传热。据此，本文对 桩埋管进行了全面的介绍，并对其的经济性进行了分析。采用建模软件。蛆仍r r 建立数学模型，以数值计算软件f i i 皿盯进行计算，通过建立桩埋管与土壤传热 的三维数学模型，模拟桩埋管与土壤的传热及土壤的温度场，对比了桩埋管与普 通回填换热情况。通过温州工程的现场测试，得到了其换热的基本效能，为桩埋 管的推广提供了坚实的理论基础。本文最大的特色之一便是结合温州双井头小区 会所项目对整个桩埋管的施工工艺进行了全面的规范，以指导在实际工程中的施 工。 关键词：桩埋管；数值传热；土壤温度场；施工工艺： a b s 廿a c t a b s t r a c t n d w a 出i y s 棚髓劭谢s i s 柚d 锄v i m n m e 删p o u u t i a 鹏i h em o 或i l l l p m a n t d b l 锄si h 吐 塌c h 岫缸y m u 砒d e a l w i l h a s m o 他越d m o 他a n c n 6 0 n h 勰b e p a i d 锄c 瑁y s 孙，i n 岛t h c a 地m 柚y n c w m 劬o d $ t o b e “k 印j n t o p f a c t i a 8a 枷鲫锄a i h e 址p l m 币s y 鲫啪w h i c h i sg 咖、卿m 糊印诅1p r o 删o 柚d 叫c he m ：c 1 慨m c t i l o dt or e f g t 髓把、h e 砒a n d 蛐p p l yh o t w a 妇h a _ v eb 鲫1 | 8 e dw i d e ly b 吡山ec o 衄m c l o d sf o r 霉t h 锄a lh te x c h a 啊w 蛐啦 v 觚ia n dh o 五z o n t a it y p 、i n s tt o om o 盈e y 盘n dt 。om i l 6 hs o i l 印c w b i c hm a y r 。d l l t h c 叫o m i c a ln l d 蝴i t yo f h tp l 唧s y 咖i tw mb cc h a n 窖c d 腿山c 叩弘冶髓n c eo f 衄a 劭7p j l 嚣w h i c h i b a n e w s t y l e o f h e a t p 衄叩n l v e t h 圆ep l d l ，l e m 8e f f 秭v e l y m o 毗u n 订y t h e 勰m 卸y p l a c 山a t t h e 锄o f n i s 砖l c 啪d yr 瓣，出e v 鲥c a i d e e pb i u y i n gu - t i l b ca mm 稍t 越e n e i 】窖yp 诅，鹪t h eh t c s t 擘t h 廿m a ih te x c h a n g 啊， m b i n e m t h eb l i i l d i n 铲丘a m ca n d t a l b 山e 缸l v 扯协g 瞄o f 山ca r 随o f t h cb i j i l d i n g s ，勰山e r 鹤u l 山c y 岫向h 叫b yp 丑嘲幻c b 启吼姗曲曲g 如礼锄d 锄咄婚岬n y 坤如曲峙a 【p c n 细b o f i n gh 0 1 鹋a n db i 珂m gp j p 鼠t h i 3p a 蝴g c 丘r s t lw i n 西 i h c i r m a j n 咖蚌，血c t y 】，i l s y s t e md e s 咖谢t h 山c e f g yp i 恼龃d 血e 釉i cp f 0 蛔b i l 咄t h iu s e d 衄g a 仍瓯a 蚓t 删衙础d n l t i n g 衄t h 锄【鲥酬m 龇，蛆d 恤ef i j j d 盯丑f h v 舭妇咖谢c a i 伽p 1 1 d n 丞t o 瓤姐b a 撇豇i 龃im o d 吼i nw h i c hl h eg m 曲xn o wa n dh c a th a 地衙 训i 6 0 n so ft h cu - m b e 鼬i d c n 矗c a lt om 出c d i 廿s a m 曲gt ol h i 3 ，jh 哪g o lf h a t 血c h e a l n a n s 衙慨u t i l b e 8 a n ds o i l d 岫s o i l 魄邮右e h l t o 呻湖t 恤a d 、蝴i h a v o m p 删t om eu g i i a lh i c 蚯u sb y 山cs i m l l l a 6 0 mih a v c 址g o t 山cc i 五c i c yo f 盘i c f 母r p d b y m e t c s 协i n w 两【衄f 缸棚y ，崎p a s 强g c 加m 山e “锵w h t a b 舶哪幽 i n a p 叫咖哪 k e y w o r d s ：髓e l ：醪p i j 砖；m 如丽c a l h e a t 妇盥溉s o i l 卸l p e f 妇矗d d ；t e c l l n i 镐； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师躲凰 朋：皿 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着社会的不断进步与发展，能源与环境污染问题逐渐成为当今世界各国面 临的重大社会问题，能源安全与环境保护是一个国家实现可持续发展的重要前提 和保证。因而，作为人类生存和发展的两大主题的能源和环保问题，成为了世界 各国优先发展的头等大事 能源是现代社会和生活的物质基础，即现代文明是建立在对能源和物质大量 消耗的前提下，但是随着世界人口和经济的迅速增长，能源的消耗急剧增加，并 导致环境的日益污染。因此，我们面临的新任务是：既要力争使现有的能源获得 更充分的利用，防止大气污染，又要全力探索无公害的新能源。建国以来我国的 能源工业有了很大的发展，但是能源的供应仍然不能满足工农业生产和人民生活 的需要。能源供应紧张，又存在产品能耗高，能源利用率低，浪费严重的现象。 面对全球能源危机。环境恶化，可持续发展受到严重威胁之时，我国政府及时提出 了建设节约型社会的战略思想，其实质就是要树立和落实以人为本，全面协调可 持续的科学发展观，坚持资源开发与节约并重，把节约放在首位的方针。 随着2 1 世纪的到来，我国建筑业持续发展。而建筑使用过程中所消耗的能 量，在社会总能耗中占有很大的比例，而且，社会经济越发达，生活水平越高，这个 比例越大。据统计：我国建筑能耗已占社会总能耗的2 0 2 5 0 1 ，且呈逐步上升之 势，可以说建筑能耗状况是牵动社会经济发展全局的大问题。对建筑节能的要求 被社会各个阶层广泛关注。建筑节能是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，是 执行国家节约能源，保护环境这一基本国策的重要措施，是世界建筑发展的大趋 势，也是今后建筑技术发展的重点。建筑能耗以供热采暖和空调能耗为主，因此 建筑节能的重点应放在采暖和降低能耗上。减少我国冬季采暖所造成的大气污 染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求 的目标，特别是近几年来，大中城市为改善大气环境，迫切需要减少燃煤量、大 力推广使用包括可再生能源在内的清洁能源。中国城市化发展，将一方面迫切需 要减少城市燃煤采暖造成的污染，另一方面对采暖空调降温提出更多要求。利用 地热及地源热泵是最近几十年来解决这一问题的途径之一。 为了积极推动建筑节能工作的开展，我国共颁发了中华人民共和国节约能 源法 、民用建筑节能管理规定、建筑节能“十五”规划纲要等法规。在 标准制定方面，又颁发了民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) jg j 2 68 6 以及jgj2 69 5 、采暖居住建筑节能检验标准jgj1 3 22 0 0 1 、夏 北京工业大学工学硕士学位论文 热冬冷地区居住建筑节能设计标准jgj1 3 42 0 0 l 、夏热冬暖地区居住建筑 节能设计标准jgj7 52 0 0 3 。另外，公共建筑节能设计标准也已公布，建 筑照明节能标准正在研究制定中。 随着社会各界对于节能工作的重视，更多的节能环保技术得到了广泛应用。 地源热泵作为一种高效率、绿色环保的热水、取暖和制冷系统也得到了更多的青 睐。但是，热泵水平和垂直埋管的地下换热方式受到土地面积及埋管初投资过高 等诸多因素的影响，或多或少降低了地源热泵系统的经济适用性。而桩埋管作为 一种较新的埋管形式，势必会给地源热泵的应用带来了新的亮点。 1 2 桩埋管热泵国内外研究状况 地源熟泵是一种先进韵技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。这 项技术最先开始于1 9 1 2 年，瑞士z o e y 提出了“地热源热泵”的概念。1 9 4 6 年 美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行 很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1 9 8 5 年美国安装地源热泵 1 4 0 0 0 台，1 9 9 7 年则安装了4 5 0 0 0 台，目前已安装了4 0 0 0 0 0 台以上的地源热泵， 并且以每年l o 的速度递长。1 9 9 8 年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占 到了空调所有量的1 9 以上，其中在新建筑中占3 0 。 n a g e l c b 觚公司于1 9 8 0 年在澳大利亚首次使用桩埋管土壤源热泵系统，之 后，该系统在澳大利亚开始广泛应用于别墅、公寓楼、商住楼、写字楼、文化 中心和工业设旌，至今已达到数百栋建筑。1 9 9 8 年，瑞士已经安装2 5 套桩埋 管土壤源热泵系统，但安装总量仍达不到瑞士地热应用总量的1 “1 。由于国外 地广人稀，土地使用的压力不大，因此对于有关埋设管子的优化配置、土壤温 度的恢复、冻结的效果、土壤中水分的移动、地下水的流动对桩埋管传热的影 响的系统化、理论化的研究进行不多。 国内对于不同回填材料对于地下换热器效果的影响作了较多的研究”，但 还没有对专门针对桩埋管这种地下换热形式进行系统化的研究。 针对地源热泵地下传热模型的研究已经持续了很长时间。在众多模型的理论 基础不外乎有五种：h g 哪o u 锄d p l 删提出的线源理论嗍；1 9 8 3 年b n l 提出的修改 过的线源理论“”；1 9 8 6 年，v c m e i 提出的三维瞬态远边界传热模型：基于能量 守恒定律的v c m e i 传热模型“”；【g s h p a ( 蜘肋a t i a lg u n d s o u d h e a tp 啪p ) 模型，该模型提供了计算单根垂直埋管、多根垂直埋管及水平埋管换热器土壤热 阻的方法“2 ) ；n w w a ( n 撕彻a lw a t c rw e l la s s o c i a t i o n ) 模型，运用该模型可直接 给出换热器内平均流体温度“”。 在此基础上发展起来的还有k a v 锄卸9 1 l 模型( 柱源解析法) “”、e s l 【i i n 模 第1 章绪论 型( 线源混合解法) o ”、h d l s 蜘m 模型“”、t 瓦l e i 模型“”、m i j m ”模型“”、 r 舢曲a y 盯和m “c h e i l 模型o ”、y a v i l 加l r k 模型“”。 上述各种模型大多针对不同的抉热情况来求解，h d l s 的m 模型是用来研究多 个钻孔密集布置的储热模型；v c m e i 模型是用来研究垂直套管换热器的传热型； m u r a ”模型是用来研究影响u 型管两腿热短路的因素；y a v i l z t l 】r l 【研究的模型主要 有两个目的：一方面用于参数估计法，从短期运行的测试数据中发现钻孔热性能； 另一方面用于计算短期无因次温度响应因子。 本文模拟计算部分采用的是商业软件f l u e n t ，通过其前处理软件g a 胁i t 建立 三维数学模型，使用f l u e n t 提供的k - 模型进行流动与换热的耦合模拟，以得到 桩埋管换热效能和土壤温度分布情况。而在实验部分的平均导热系数的处理方面， 则采用了i r 卜g 即的u 缸dp l a 豁提出的线源理论。 1 3f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 是由美国f l 喱n ti n c 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件，它是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全 面、适用性最广、使用最广泛的c f d 软件之一，广泛用于流体流动、传热、燃烧 和污染物运移等问题。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，用户可以使用非结构网格，包括三角形、 四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以 用混合型菲结构网格。f l u e n t 使用g a 昭i t 作为前处理软件，它可读入多种c a d 软 件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于二维平面、二维轴 对称和三维流动分析，可完成各种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、 不可压缩流和可压缩流计算、层流和湍流模拟、传熟和热混合分析、化学组分混 合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。 f l u 刚t 从本质上讲只是一个求解器，主要功能包括导入网格、提供计算的物 理型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理。对于液相湍流的模拟，针对各 种不同要求的问题，f i l 厄n 1 提供了一系列比较完整的湍流模型可供选择，包括 s p a l a r 卜a l l m a 瑚模型，标准、r n g 和可实现k 模型，雷诺应力模型，大涡模型 等。 f l u e n t 的用户自定义子程序功能，还可以让用户自行设定连续方程、动量方 程、能量方程或组分输送方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体 的物性、添加新的标量方程等洲。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 本课题的主要研究内容是： 1 对桩埋管热泵系统进行全面的介绍，通过与其他形式冷热源的比较得出其 经济性分析； 2 建立物理模型，通过有限元模拟软件f l u e n t 对桩埋管和井埋管的各种效能 进行比较，以期得到不同回填材料的土壤温度场分布； 3 针对温州桩埋管系统进行数据测量，分析单桩工作的具体效能及不同情况 下的平均导热系数； 4 通过工程实例分析，总结出桩埋管热泵系统地下换热器部分的施工工艺以 及所应注意的关键步骤。 第2 章桩埋管简介及经济性分析 第2 章桩埋管简介及经济性分析 2 1 地源热泵的基本结构及其原理 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，顾名思 义，热泵也就是像泵一样，可以把不能直接利用的低位热能( 如空气、土壤、水 中所含的热能、太阳能、工业废热等) 转化成可以利用的高位热能，从而达到节 约部分高位能( 如煤、燃气、油、电能等) 的目的。热泵的定义( 见图2 - 1 ) 涵盖 以下几点： 1 ) 热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位 热能与吸取的低位热能的总和。也就是说，应用热泵时，用户获得的热量永远大 于所消耗的高位能。因此，热泵是一种节能装置。 2 ) 热泵除遵循热力学第一定律即在热量传递与转换的过程中必须遵循守恒 的数量关系外，同时遵循热力学第二定律：热量不可能自发地、自动地从低温物 体传递给高温物体。要让低温物体中的热量转移到高温物体中去，则必须消耗外 界功伽。 在工程实践中，常在空调系统的部分设备或全部设备中选用热泵装置。空调 系统中选用热泵时，称其系统为热泵空调系统或简称为热泵空调，如地源热泵就 是其中一种。 机组输入电能w 图2 1 地源热泵工作原理示意图 f i g i 聪2 一lw b r kp f i f 而p l e8 k c i ：hm a po f 擘叩n ds a u r h c a tp 啊1 p 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 桩埋管简介 地源热泵系统一般有两种比较普遍的埋管形式水平埋管和垂直埋管，如图 2 2 和图2 2 所示脚。 图2 - 2 水平埋臂图2 3 水平埋臂图2 4 桩埋冒 f i g u m 2 2h o r i z o n 诅lb i y i n gf i g 哪e 2 3 lb u r y i r i gf i g i 】i r c 2 4e n 盯g yp i i 嚣 桩埋管( 见图2 _ 4 嘲) 作为最近几年新出现的一种埋管方式，即把地下u 型管 换热器埋于建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，充分的利用了建筑物 的面积，通过桩基与周围大地形成换热，从而减少了钻孔和埋管费用。由于建筑 物桩基的自身特点，使u 型管与桩、桩与大地接触紧密，从而减少了接触热阻， 强化了循环工质与大地土壤的传热。 目前，国外使用桩埋管土壤源热泵系统时主要有如图2 - 5 、图2 - 6 两种形式。 图2 5 是将换热管预先放置于桩基的钢筋框架内部，浇注混凝土预制后一起埋于 图2 - 5 桩埋管形式( 1 ) 删图2 - 6 桩埋管形式( 2 ) 嘲 f i g l l r 吐一5 f i r 啦s t y l c o f 舶嚣g y 硼嚣f i g 盯e 2 - 6 s 硼ds t y i e o f 盯g yp i l 鹤 建筑物地基部；图2 _ 6 是换热管先固定在用于建筑物地基的预制的空心钢筋笼中， 随钢筋笼一起下到桩井中，然后浇注混凝土。针对于我国目前钻孔灌注桩的主要 形式，第一种形式的应用将更为广泛。埋管深度由桩深而定，形式为单u 型管、 双u 型，单桩不宣采用三个以上u 型管，以避免热短路，造成换热能力的下降。 o -山y 第2 章桩埋管简介及经济性分析 2 1 2 桩基础简介 既然是桩埋管，肯定离不开建筑物的桩基础，下面我们对建筑学中的桩基础 以及桩埋管常用的钻孔灌注桩作一下简要的介绍。 2 1 2 1 桩基础 如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求1 而 又不适宜采取地基处理措施时，就要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深 基础方案了。相对于浅基础，深基础埋入地层较深，结构形式和施工方法较浅基 础复杂，在设计计算时需考虑基础侧面土体的影响。深基础主要有桩基础、沉井 和地下连续墙等几种类型，其中以历史悠久的桩基础应用最为广泛。桩基础是通 过承台把若干根桩的项部联结成整体，共同承受动静荷载的一种深基础，而桩是 设置于土中的竖直或倾斜的基础构件，其作用在于穿越软弱的高压缩性土层或 水，将桩所承受的荷载传递到更硬、更密实或压缩性较小的地基持力层上，通常 将桩基础中的桩叫做基桩。 随着近代科学技术的发展，桩的种类和桩基形式、施工工艺和设备以及桩基 理论设计方法都有了很大的发展。桩基已成为在土质不良地区修建各种建筑物，： 特别是高层建筑、重型厂房、桥梁、码头和具有特殊要求的建筑物所采用的最广； 泛的基础形式。桩基础可以将荷载传递到深层土中，并且有承载力高、差异沉降二 小、施工方便等诸多优点。此外，桩基础具有比较大的整体性和刚度，能承受更 大的竖向荷载和水平荷载，能适应高、重、大建筑物的要求，在近代土木工程的。 发展中，桩基础起了越来越重要的作用。作为深基础代表形式的桩基础，特别是 软土地区的桩基设计与施工技术近年来发展迅速。 2 1 2 2 灌注桩 灌注桩系指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基 土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。依照成孔方式 的不同，灌注桩可分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几大类。 钻孔灌注桩是指在地面用机械方法取土成孔的灌注桩，其施工方法主要分 为三大步：成孔、沉放钢筋笼、导管法浇灌水下混凝土成桩。水下钻孔桩成孔过 程中，通常采用具有一定重度和粘度的泥浆进行护壁，泥浆不断循环，同时完 成携土和护壁的任务。这种成孔工艺可以穿透任何类型的地层，桩长可达1 0 0 m ， 桩端不仅可以进入微风化基岩而且可以扩底。目前常用直径有5 5 0 i i 皿，6 0 0 m m ， 6 5 0 m m 。7 0 0 r 啪，8 0 0 m m 和8 5 0 蚰等，较大的可做到2 0 0 0 f 衄以上的大直径 桩，单桩承载力和横向刚度较预制桩大大提高。钻孔灌注桩施工示意图2 7 、2 8 、 2 9 、2 1 0 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 7 成孔示意图 f i g i 珊2 7 圈。曲c hm a po f 出i 1 1 i n gh o i 幅 圈嬲下导管和钢筋笼 f i g u m 2 8 【丑y i n g d o 帅t h e d l i “a d d o r e d 铲 善 第2 章桩坪管简介及经济性分析 护 图2 9 浇灌混凝土 f i g i l 陀2 - 9c a s t i n g n c f e 伦 缸 筋j 乍 一 一阮燎土土 图2 - 1 0 成桩 f j g i i 坤2 - 1 0c 0 n f o 衄i n gp 址s 桩埋管地下换熟器的施工是与桩基的旖工结合在起的，融会在以上四个步 骤中，更为复杂，对施工人员的要求更高，我们将在第5 章对桩埋管施工工艺加 以全面的介绍。 北京r 业人学丁学硕十学位论文 2 1 3 桩埋管热泵的系统设计 桩埋管系统在设计上与其他埋管形式的地源热泵并没有太大区别，但仍有需 特别注意之处。首先，需要指出是：一旦建筑结构或旌工外加负荷所需桩尺寸和 长度已定，则用于埋管的桩的数量也已确定，也就是不能以冷热负荷的增加而增 加桩的数量。当桩埋管所提供的冷热负荷不能满足所需要求时，应优先考虑其他 形式的埋管，其次是增加冷却塔和锅炉等其他辅助措施。同时，在系统设计时， 也要考虑到地下换热器的热平衡问题，针对冷热负荷差距较大的情况，可选取较 小的负荷值作为确定埋管长度的依据，对于相对较大的负荷，则可以选择辅助措 施加以满足。 和其他形式的热泵系统一样，土壤的地热特性同样重要，需要测得土壤的组 成成分、土壤温度、热导率、热容量、水质特性和水流方向及速度，这些参数对 于整个系统的优化有着重要的意义。 由于桩之间距离一般有一定距离( 大于6 米) ，桩基间的影响可以省略，则对 于冬季、夏季工况下，单桩的q c 、q t 换热量3 为： d 生丝二垒! “r ，+ 艮+ r + r x c + 岛( 1 一c ) ( 2 - 1 ) 妇丽彝轰 。 其中： t 为制热( 冷) 运行分额，即一个制热( 冷) 季机组运行小时数和一个制 热( 冷) 小时数的比值。 r ，为传热介质与u 型管内壁的对流换热热阻： r 。上 硝x ( 2 - 3 ) 为u 型管内壁的热阻： 1 其中d 。- q 峨 桩身的热阻r 。可按下式计算 r 。去疃，：。纠， 地层热阻，即从桩壁到无穷远热阻r 。可按下式计算 第2 章桩埋霄简介及经济性分析 r 4 去。喙，治5 ， 其中- 扭争； 短期连续麦冲负荷引起的附加热阻： 击。峦) ：协6 ， k 为传热介质与管壁的对流传热系数；正、磊分别为u 型管的内外直径；t 为 u 型管的当量直径；对单u 型，n ：2 ；对双u 型，n - 4 ；以为桩身直径；、九、 知分别为u 型管，桩身混凝土以及土壤的平均导热系数；吃为桩身半径；a 为土 壤的热扩散率；f 为运行时间。乞为土壤初试温度，r 。、t 。分别为冬季、夏季 的流体平均温度。 在桩间的连接上，应当尽量采用同程式连接，以保证管段的水利平衡以及一 旦某个桩段的管段出现问题，不至影响整个系统的正常运行。其典型的系统图如 图2 1 1 所示。 2 2 桩埋管地源热泵经济性分析 2 2 1 地源热泵优势分析 对于不同系统的比较，主要是从其初投资和运行费用出发，下面我们就结 合温州双井头小区会所项目来分析桩埋管的应用前景。 浙江省温州市会所项目位于温州市市区，建筑面积2 咖平方米，功能为小 区会所，需要夏季空调制冷、冬季采暖。建筑物总冷负荷为3 4 8 千瓦，系统形式 为风机盘管加新风。 2 2 1 1 初投资的比较 系统的初投资计算包括了从冷热源、管网到室内终端的所有投资项。表2 1 给出了温州双井头小区会所项目不同冷热源初投资概算。 其中，集中供热、燃气热水炉、燃油锅炉和电锅炉为单独供热模式下的预算， 而单冷空调、冷水机组和吸收式制冷机组为单独制冷模式下的预算。 北京r 业人学丁学硕十学位论文 图2 - 1 1 典型的桩埋管系统设计图 f i g i m2 1 1 聊i c 蚰研咄md e s i 印6 吖蛐e f 盱p n 鹉 表2 1 温州项目不同冷热源的初投资概算 t a b l e2 1 耽es t a r i n v e s 咖e n to f c a c h 湖瞄f o rw e n z h o up m j 嘲 系统方式初投资( 万元) 地源热泵系统 1 0 6 集中供热6 6 燃气热水炉 4 5 9 5 燃油锅炉 4 5 9 3 电锅炉5 3 5 单冷空调 3 8 7 冷水机组6 l 9 吸收式制冷机组 8 1 空气源热泵 1 9 1 2 第2 章桩埋管简介及经济性分析 从计算结果来看，地源热泵空调系统和传统采暖空调方案相比，单独运行 ( 单冷或者单暖) ，系统的初投资较高，但全年运行时( 即采暖加空调制冷方式) 整个系统的初投资与其他方式相结合的初投资比较则相对较小，如图2 1 2 。 图2 1 2 供热空调系统初投资比较 f i g i i 傩2 - 1 2t h e m p a o f d i b r 即ls y s t e m s 2 2 1 2 使用不同燃料的各种采暖方式运行费用的比较 文献 2 6 对土壤源热泵、燃气、燃油、用电等方式进行比较，结果见表2 2 表2 - 2 各种采暖方式运行费用的比较 t a b l c 2 - 2 1 k m m l i n g 血m 自”曲h 龆血g i m o d 单位煤天然气电轻柴油地源热泵 一 价格 兀2 5 0 吨1 8 m 3o 卅僵( 、 ，h 3 0 6 ，k g 0 4 “k w h 热值 k c a j 5 5 0 叩咯 8 4 7 0 1 d 】38 6 0 1 】( w h 1 0 2 0 叩 ( g 8 6 0 1 庙= 、) l ，h 使用 7 0 鹪9 6 8 5 2 8 1 3 2 效率 0 0 0 4 2 2 k 燃料 m ，h 0 0 0 9 5 k g o 0 0 4 9 m 0 0 4 4 3 k w ho 0 1 5 1 k w h g 消耗 时天 0 2 2 l ( g 0 1 1 7 8 m 31 0 6 3 2 k w h 0 1 吡3 k g 0 3 6 2 6 k 、 ，h 量 时1 4 0 天 3 1 9 2 3 k g 1 6 4 9 2 l ， 1 4 8 7 5 k 、】i r h 1 4 1 7 6 k g 5 0 7 6 1 l c w h 燃料元季m l 7 粥12 9 6 8 66 5 4 54 3 3 7 82 2 3 3 5 费用元季鹋8 m ，7 7 1 2 82 6 3 6 1 1 6 85 8 1 1 9 63 8 5 1 9 6 61 9 8 3 3 2 费用 13 7 2 0 8 2 0 1 5 4 3 52 7 9 8 比例 污染严重轻微污染轻微污染无污染无污染 特点 费用低费用较高费用较高 费用较高 费用较低 北京r 业人学t 学硕十学位论文 表中所列出的采暖方式中，根据运行费用由低到高的排列顺序为：燃煤采暖、 土壤源热泵系统采暖、燃气采暖、燃油采暖、电采暖。其中，以燃煤采暖最为经 济，但污染较严重，已逐步被禁止。土壤源热泵系统采暖只要设计合理，运行费 用也很低。在这些采暖方式中，以电采暖的费用最高，约为土壤源热泵系统采暖 的2 9 倍。 通过上面的分析，我们可以得到这样的结论：地源热泵和采用其他冷热源形 式相比，其初投资并没有很大优势，主要是因为地源热泵的钻孔费和地下埋管材 料费很高，占总投资的一半左右。虽然如此，但其运行费用较低，使用低品位的 热源，对环境没有污染，在目前节能与环保并重的情况下，有着广阔的推广前景。 2 2 2 桩埋管经济性分析 在上一小节中，我们已经得到了地源热泵的优势所在，也看到了其推广的广 阔前景，下面我们针对不同的埋管形式的优缺点进行比较。 ( 1 ) 水平管换热器：一般用于地表面积充裕的场合，盘管埋于地沟内，埋深 1 2m 至3 m 。每沟埋1 至6 根管子。管沟长度取决于土壤状态和管沟内管子的数量。 水平管换热器的成本极低，安装灵活。但它占地面积大，同时由于埋深较浅，土 壤温度和热特性易受季节等因素的影响。 ( 2 ) 垂直管井敷设的埋管形式有u 型管、套管和螺旋管等。传统的土壤源热 泵系统较多采用u 型垂直埋管式地能换热器，根据埋管深度分为浅层( 3 0 m 以下) 、 中层( 3 m 1 0 0 m ) 、深层( 1 0 0 l m 以上) 三类。国外对地能换热器的研究主要集中在 中、深层埋管换热器，我国学者更侧重于研究浅层和中层埋管换热器。垂直管井 敷设方式适用于可用地表面积受到限制的场合。一般来说，每千瓦要1 6 1 0 6 时 的地表面积。与水平敷设方式相比，所需的管材较少，流动阻力损失小，所需的 地表面积小，土壤温度不易受季节变化的影响，但要求使用钻井设备且钻井费用 高。根据国内经济分析数据 2 7 当埋深超过8 0 米以后，单位埋深初投资将会迅速 提高，这在很大程度上也限制了深层u 型垂直埋管换热器的应用。 和其他土壤源热泵系统埋管方式相比，桩埋管热泵系统在中国推广有得天独 厚的优势：其一，不占用除建筑物面积外的土地面积( 适合中国人多地少的国情) ； 其二，省去了钻孔和埋管的额外费用。下面用温州会所项目对桩埋管和垂直埋管 的初投资做一下比较。 在地源热泵与其他形式冷热源的比较中，末端基本相同的情况下，其差额主 要是来自地下换热器部分。表2 - 2 中给出了温州双井头小区会所项目井埋管地下 换热器部分的预算。从中，我们可以看出垂直埋管地下换热器部分总的投资为 4 2 2 万元，而整个系统的初投资为1 0 6 万。地下换热部分占了整个系统初投资的 第2 章桩甲管简介及经济性分析 4 0 9 6 多。如果采用桩埋管系统，地下换热部分的费用大大降低，只包括管材费和 人工费，虽然人工费有所上升，但整个系统费用相对垂直埋管也下降了3 0 。 表2 3 温州双井头小区会所项目井埋管地下换热器部分预算( 万元) t a 脚e 2 3 m b u d g c l f o r g c o l h e m a 】h e 砒c x c h a d g e r0 f w b n 功o u p 叫e c l 地下换热部分 能源井钻孔直径3 0 0 衄 6 0 0 0 m 4 0 元m2 4 万元 ( 1 0 0 口) 深度6 0 m 0 6 万元 p 髓o 管材直径3 2 衄9 虹5 4 万元 虹 钻井技术工作 8 元m4 8 万元 费用 固井费用=5 0 0 元 5 元井井 5 万元 管网、电缆、 水泵等相关设3 万元 备及安装费用 4 2 2 万 小计 兀 其中单口水井费用包含以下： 1 1 钻井收费基价= 4 0 ( 元米) t 自然进尺( 米) 岩土类别系数吁l 深系数 吁l 径系数 。 2 ) 钻井技术工作费用= 钻井收费基价2 0 洗井费用= 8 元，米井深 3 1 固井费用= 5 元井。 4 1 管网、电缆、水泵等相关设备及安装费用= 3 0 0 元 可见，桩埋管的应用，可以有有效的解决其他埋管形式在应用中的瓶颈，十 分适合我国现在的国情。但是，其缺乏系统性、理论性的研究，所以如何有效的 结合建筑物结构进行桩埋管地源热泵系统设计，深入研究桩埋管土壤源热泵系统 的相关流动特性和传热性能，提高桩埋管换热器的换热效率，将是其能否广泛推 广的关键性闯题。 2 3 本章小结 ( 1 ) 本章对桩埋管与灌注桩加以介绍，并给出了桩埋管单桩换热量的计算 方法以及系统的主要形式。 ( 2 ) 结合温州双井头小区会所项目，对比了包括地源热泵在内多种冷热源 的初投资以及运行费用，体现了地源热泵的优势。通过桩埋管与水平埋管及垂 直埋管的比较，得出了桩埋管的经济性效果。 北京r 业人学r ：学硕十学位论文 第3 章桩埋管地下换热器传热的理论分析 3 1 土壤特性 地表浅层是个巨大的太阳能集热器，它收集约4 确的太阳能，尽管其中有 一半能量以长波的形式辐射出去，余下的能量也十分丰富。除太阳辐射以外，土 壤中微生物分解有机物释放的热量、地球内部和地表之间的传热以及土壤水的潜 热也是土壤热能的来源，但和太阳辐射相比，其数量甚小一般可以忽略不计。同 时，在缺乏地下水的场合或利用地下水源热泵不经济的场合都可选用地下埋管换 热器的形式阃接地利用太阳能。不同成分的土壤在收支一定热量后，土壤温度升 降的幅度并不相同，这是由于土壤的储热和导热以及其它热力性质不同而造成 的。土壤的传热性能取决于土壤的热导率、密度、热扩散系数和比热容等。不同 土壤的热导率、密度、比热容差异可以很大。 在我国的大部分地区，将地温与地面环境空气温度相比较，在土壤深度为1 5 m 以下，全年地温基本可以稳定于年平均气温，可分别在夏冬两季通过地能换热器 为热泵系统的室外换热器提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。当冬季进 行供热时，由于垂直埋管不断从土壤中吸取热量，土壤温度逐渐降低。供热结束 时，垂直埋管停止从土壤中吸热，土壤温度逐渐回升。经过春季这个过渡季节后， 土壤温度已恢复到较高水平。随着夏季制冷工况的进行，由于垂直埋管不断向土 壤中放热，土壤温度逐渐升高。制冷工况结束时，土壤温度慢慢降低，经过秋季 过渡季节后。土壤温度基本恢复到正常水平。因而地热资源是一种比环境空气更 好的热泵空调系统冷热源。 土壤的热物性参数包括：土壤密度、土壤比热容、土壤导热系数，土壤导温 系数和土壤初始温度。土壤的热物性参数是地源热泵系统设计中的重要参数，地 源热泵系统中的埋管深度，埋管间距，u 型管的进出口温差，地下换热量都由土 壤物性参数来决定，因此，对土壤热物性的研究对u 型埋管的换热有着重要的意 义。 3 1 1 土壤比热容 土壤是一个非均质的、多相的、颗粒化系统，其中占体积5 0 的部分为周相， 其余由空气、水等成分组成。土壤各组成物质的物性参数如表3 1 所示： 第3 章桩埋管地下换热器传热的理论分析 表3 1 土壤各组成物质的物性参数( 标准大气压，2 0 ) t a b k 3 1 t h e p h y s i c “p m p e n y p m m e t e 墙o f e h 璐n t u t co f n 密度质量比热容体积比热容导热系数 组成物质 l 【g mk j ( k g )u ( 1 曙) 、( m ) 石英 2 6 5 00 7 3 31 9 4 28 3 7 黏土矿物 2 6 5 00 7 3 31 9 4 22 9 3 土壤有机物 1 3 0 01 9 2 62 5 0 4o 2 5 1 水1 咖4 1 8 74 1 8 7 0 5 9 5 空气1 21 0 0 51 20 0 2 6 为了便于分析，将土壤的成分简单地分为矿物质( 固体相) 、有机质( 固体相) 、 水( 液相) 和空气( 气相) 。单位质量的土壤，温度每升高l 所需的热量称为 土壤的比热容，以气表示，单位为j ( g ) 。土壤的比热容可由各组成物的 比热容计算得出： 气。c 脚+ 儿+ 儿+ 一y ( 3 1 ) 式中，、儿、儿、儿分别为单位质量土壤中含有的矿物质、有机质、 水和空气的质量，g g ；c _ 、。一和。一分别为矿物质、有机质、水和空气 的比热容，j ( g ) ，在2 0 和1 a 饷下，它们分别为0 7 3 3 ( 近似平均数) 、 1 9 2 6 ( 近似平均数) 、4 1 8 6 和1 5 。因此，只要土壤中各组成物的质量比已 知，土壤的比热容便由式3 3 计算出。 3 1 2 土壤导热系数 文献 2 9 给出了经过实验验证了的经验公式，对于不f 司湿度和密度的土壤， 采用以下公式： a = o 1 “1 6 6 x 【0 9 x l o g 仰1 2 】x 1 0 0 “嘶 ( 3 2 ) 式中，妒土壤湿度，k g k g ；g 为干土壤密度，k g 小3 。 尹：笔鬈嚣紫 ( 3 3 ) 单位容积土壤质量 ” 土壤导热系数在大于某一特定的湿度临界值时是相对恒定的，称为临界湿度 北京i ：业人学下学硕十学位论文 含量( c m c ) ，见表3 2 。 表3 - 2 土壤组成成分临界湿度含量 t a b l c 3 2 1 1 l ec f i c 丑i h u m i d i l yo f c a c hc o n 鲥t u i c o f n 土壤描述近似临界湿度含量 颗粒 1 2 淤泥1 2 1 6 粘土1 6 2 2 有机的泥煤似的土壤 1 8 有机的淤泥和富养的粘土 2 2 当低于c m c 时，导热系数迅速下降。在夏季工况下，当u 型埋管向土壤 排热时，埋管附近土壤里的湿气可以被驱除出去。如果土壤处于或接近c m c ， 这种湿气的减少将使土壤的导热性能剧烈减小，从而使u 型埋管的换热性能大 大降低，表现出这种特性的土壤视为热不稳定，将严重的降低土壤传热性能。 在实际的工程中。往往使用的是热线法测量土壤的导热系数，热线法是一种 应用广泛的测量材料导热系数测试方法，属于非稳态测试法，它具有简便、快速、 精确等优点。 3 1 3 土壤导温系数 土壤的热扩散率定义为 4 。“d ，c 坩f 搬2 煳 ( 3 _ 4 ) 即热扩散率为导热系数与体积比热容之比。热扩散率也是随土壤质地、干容 重和含水率的大小而变化的。对于同一土壤，其导热系数和比热容均随土壤含水 率的增高而加大。在含水率较低时，随着含水率的增加，土壤导热系数的增幅较 比热容的增幅要快，但当含水率较高时，情况则相反。因此，热扩散率先是随 含水率的增加而加大，在达到一定含水率后，热扩散率则随含水率的增加而减小。 综上，经过理论分析结合文献 2 8 ，表3 3 中列举了各种典型的土壤物性参 数，为后续论文的讨论提供数据依据。 3 1 4 土壤的初始温度 对于浅层土壤，由于受土壤表面温度年周期性变化和日周期性变化的影响，土壤 第3 章桩甲管地下换热器传热的理论分析 表3 3 普通土壤类型的热物性参数 t a b k ”mh c a te x c h 加咖gp h y s i c a ip 嘲m e t e 璐o fd 豳啪m nt y p e s 导热系数 导温系数密度 热容量 土壤类型 w 细)1 0 石巩- 2 ，s l 埘圳( 蛞) 密集岩石( 花岗岩) 3 4 61 2 9 0 3 1 9 7 o 8 3 7 普通岩石( 石灰石) 2 ，4 21 0 3 22 7 9 8o 8 3 7 重土一潮湿( 粘土、紧密 1 3 0 o 6 4 5拟 o 9 6 2 的沙子、肥土) 重土一干燥( 粘土，紧密 o 8 70 5 1 61 9 9 曝0 8 3 7 的沙子、肥土) 轻土一潮湿( 松散的沙 o 8 70 5 1 61 5 9 91 d 4 6 子、淤泥) 轻土一干燥( 松散的沙 o 3 5 0 2 8 4 1 4 3 9o 8 3 7 子、淤泥) 温度的变化也具有周期性特点，并且其变化的幅度随土壤的深度的增加呈自然指 数的规律减小。考虑到日周期性波动的周期较小，工程上一般忽略日周期性的变 化对土壤温度的影响。土壤温度t 0 ，f ) 随土壤的深度：和时间f 的变化按下式计 算“： 驰力一乙毋唧h 臼s 【等p 训 皤】 ( 3 5 ) 式中： z 土壤地表以下的深度，m5 t - 温度的计算时刻，s ； t 地表以下z 米处，t 时刻的温度，5 n 土壤的热扩散系数； 1 一地表的平均温度，； l 地表温度波动