地源热泵换热器的嵌套工艺.doc

地源热泵地下换热器与建筑物桩基的嵌套工艺摘 要地源热泵垂直埋管方式具有换热效率高的优点，但由于钻孔施工费用较高而应用受到限制。充分利用建筑桩基，在预制管桩、灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管，可省却钻孔工序，大大减少地下换热器的施工费用而降低系统初投资。关键词地源热泵；地下换热器；灌注桩；预制管桩；嵌套工艺地源热泵以其高效、环保、节能等诸多优势发展迅猛，代表着节能型中央空调的发展趋势。地源热泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等多种应用方式。其中垂直埋管方式具有换热效率高、地下换热系统占地面积小的优点，但由于初投资较高而应用受到限制。钻孔施工费用居高不下是造成初投资较高的主要原因。地下换热器与建筑物桩基嵌套，即在预制管桩、混凝土灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管，省却钻孔工序，节约施工费用，更能有效的利用建筑物底板下的面积。同时，由于桩基的间距较大，U型换热管的相互热影响几乎为零，地下换热器的工况更为稳定。这种技术的推广将为绿地面积小、容积率高的建筑物提供新的应用空间，必将成为垂直埋管方式新的应用典范。一、工艺介绍宁波地区土壤垂直分布基本上可划分为4层：粘土层、淤泥层、粉质粘土层和粉沙层。该地区土层较软且厚度大，故建筑物必须采用深基础，建筑物基础是以预制管桩和灌注桩为主，适宜采用地下换热器与建筑物桩基的嵌套工艺。1、预制管桩内U型换热管敷设工艺预制管桩主要是钢筋混凝土实心桩或空管桩，也有木桩或钢桩。其中空管桩桩管直径一般400mm、550mm，管壁厚为80mm，中间空腔直径为240mm、390mm，可以在空腔内埋设单U型换热管或双U型换热管，达到节省施工费用的目的。下管是地源热泵工程中关键之一，因为下管的深度决定采取热量的多少，所以必须保证下管的深度。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起，并采取防止U型管上浮的措施。在预制管桩口处放置麻袋之类的衬垫物品,以防止下管过程中换热管磨损而导致其耐压等性能下降。因为在做承台时，管桩内埋管要接出去承台，所以管子的长度应大于桩深度再加承台高度的长度。回填工序也称为灌浆封井，回填的目的是强化U型换热管与预制管桩壁之间的传热，用注浆泵或泥浆泵将回填物高压从桩底向上封入,回填物中不得含有大粒径的颗粒，回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出使混合浆自下而上回灌封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时，回填过程结束。2、灌注桩和地下连续墙内U型换热管敷设工艺灌注桩是在钻好的孔内下入钢筋笼并灌注混凝土而筑成的深基础。地下连续墙是在泥浆护壁的条件下向地下钻挖一段狭长的深槽，在槽内吊放入钢筋笼，然后灌注混凝土，筑成一段钢筋骨混凝土墙段，并把每一墙段逐个连接起来形成一道连续的地下墙壁。由于灌注桩的孔径较大，可以在钢筋笼上放置多组U型管并在桩身内部可以并联汇聚（也可以适当串联）后再引出桩身，引出管要做好保护措施以防止土建方在对桩头进行处理时破坏到U型换热管。U型换热管可以放置在钢筋笼的内侧，也可以放置在钢筋笼的外侧，用尼龙扎带将其固定在钢筋笼上，并做好对U型管的保护。垂直管水平连接工艺：将垂直管引出承台在桩口处弯曲垂直管使其从套管中穿过，在承台施工完毕后先进行压力试验再熔焊接入水平总管上，以确保接入总管上的热交换管（D32，HDPE）的完好，无渗漏；待每根总管上的孔全部连接完毕后进行压力试验并观察总管上与各个支管相连处的熔焊焊缝有无渗漏；然后将供回水分别接至相应的分集水器；回填水平管，用沙子或泥土在管道层面上覆盖15cm厚。二、工程应用实例采用桩基内敷设地耦管形式的地源换热系统，即在建筑物桩基（预制管桩、灌注桩和地下连续墙）内敷设U型换热管，一定数量的U型换热管水平集结，形成若干组同程（或异程）换热回路，汇集至集、分水器，达到为建筑物空调系统提供冷热源的目的。实例1：某办公楼地源热泵空调工程，总建筑面积为4300 m2，空调面积为3500 m2，总冷负荷为450 KW。采用空桩管双U埋管式地源换热系统，即在本工程241根预制管桩（400500mm，其深度在4145m之间）内埋设双U型地耦管，所有的地耦管内地源水汇集到供水集管，通过循环泵送到室内的地源热泵机组，经能量交换后，回到地埋管路。图1 空桩管内敷设双U型地耦管剖面图1、桩基概述本工程采用预应力混凝土400，500二种型号管桩，选用第8-2桩尖持力层有效桩长,共三个区，区为41米,区为43米,区为45米。400预应力管桩162根，500预应力管桩81根，共计：243根。柱为146枚，间距为99m。2、土壤性质及回填物热工参数根据本工程钻孔勘察报告，分析得出，土壤在050米深范围内大致可分为如下几层，具体见下表。表1 土壤分布状况地层标高（m）主要土类-2.17粘土、淤泥-21.27淤泥、粉质粘土-33.87粘土-33.07粉质粘土-43.77粘土-49.34细砂、粉质粘土、圆砾本区域主要以粘土、细砂、卵石为主，湿度以湿、饱和为主，本区域土壤传导率为1.6 W/m.k，回填物选用细纱和饱和粘土（或膨胀水泥+粘土），属于重饱和潮湿性土壤，导热系数为1.9 W/m.k。3、本工程其它热工参数土壤平均温度为660F（19）；为了保持热泵高效率（EER10或COP3.4）则热泵进水温度最低为460F（8），最高为860F（30）。4、地下热交换器换热量计算根据宁波地区供暖期一般为60天，夏季制冷期120天，计算得出本工程土壤年度吸热量（制热工况）、年度散热量（制冷工况）为如下数据：Q年度吸热量 =280*106Btu Q年度散热量 =1512*106Btu再计算D32聚乙烯垂直式U环路地耦管道长度（插孔深度为40米）L总吸热长度=1440m L总散热长度= 7212m从上得知总年度吸热长度（1440m）小于总年度散热长度（7271m），则以总年度散热长度作为本建筑土壤热交换器设计长度。又根据土壤性质表和热工特性表，得知土壤热工参数如下： 传导率=1.6 W/m.k 扩散率=0.0200.011m2/h 回填料=1.9 W/m.k 覆盖层厚度为100查垂直式U环路长度修正系数表，得出土壤热交换器长度修正系数为2.4，则最后土壤热交换器长度修正为L=7271*2.4=17450m根据以上相关参数，知所需管桩个数：N桩数=17450/（40*4）=218个S柱距=9m* 9m按照土建图纸上240个桩位布置图，将218个桩孔内地耦管路设计8个同程环路通过同程水平集管连接集中到集、分水器。完全采用桩位内敷设双U型换热管的方式能大大满足该办公楼冷（热）负荷要求，因此不需要钻取地耦孔作为补充，初投资费用节省。实例2：德国波鸿市Stadtwerke(波鸿)公司办公楼,采用104组桩基埋管,在桩基钢筋笼内嵌套地耦管的方式.图2 钢筋笼内嵌套地耦管完成图片三、结束语地下换热器与建筑物桩基嵌套工艺具有省却钻孔工艺而降低初投资，节省地下换热系统分布面积等优点，将为地源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景。但是由于可利用的桩基个数有限，采用这种嵌套工艺往往只能承担空调系统部分负荷，因此需要钻取地耦孔作为冷热源补充。嵌套工艺施工过程需要土建方密切配合。翅片管式换热器具有高效传热、结构紧凑等特点，因此被广泛地应用于制冷空调装置。传统的设计方法是对样机进行反复测试和修改，这样不仅造成开发周期过长、开发费用投入巨大，而且难以达到节能、节材的效果，使企业难以跟上市场需求。采用计算机仿真方法1-2为换热器的高效设计提供了必要的手段。如今，计算机仿真计算正逐步向着实用化方向迈进，但是，以往的换热器仿真研究较多注重于仿真模型的精度和稳定性，而对仿真方法的实用化以及基于仿真方法构建完善的仿真系统等研究甚少。这种作法不适合换热器仿真方法的推广，也使得仿真方法不能够在实际生产、设计过程发挥应有的指导作用。这些问题的提出，就要求构建一个完善的换热器仿真系统，该系统不仅要在模型的选择和仿真精度上满足用户的要求，更要提供给用户一个友好的、易用的、便于维护的仿真平台。数据库技术便于统一保存和管理各种参数，可视化技术可以将所研究的对象用图像的形式直观形象的表示出来,这两点可以满足用户在仿真平台友好性和易操作性上的要求。因此本文采用数据库和可视化技术，结合现有的比较成熟的换热器仿真模型，构建并实现了翅片管换热器的仿真系统。该系统已成功地应用于企业，缩短了产品开发周期，满足了企业实际设计的需求。2 换热器仿真系统的总体框架2.1 仿真系统的研究对象本文仿真系统的研究对象是各种规格类型的室内机和室外机换热器。如：一般空调系统中的室内机采用的I型换热器，室外机采用的L型换热器，以及在大型集中空调中采用的C型等不同形式换热器。本文所构建的翅片管换热器仿真系统除了对单体换热器性能的仿真外，还可以对多联换热器的性能进行预测，如大型空调室外机中采用的V型换热器的性能预测等。图1显示的是一个实际系统中的换热器网络，它是由具有n个换热器组成的联合运行的系统。每个换热器可以具有独立的类型结构，可以采用各自独立的翅片类型和换热管类型。本仿真系统能够处理的翅片类型有四种：波纹翅片、条缝翅片、超条形翅片、和百叶窗翅片，能够处理的换热管类型有两种：光滑管和强化管。图1 实际制冷系统中的换热器网络2.2 仿真系统的总体框架通常，仿真系统可以划分为三个主要的模块：仿真参数的输入模块、仿真运算模块和仿真结果的输出模块。本文所构建的仿真系统的框架图如图2所示，也包括这样的三个主要模块。仿真系统通过输入模块输入仿真所必需的参数，然后调用仿真运算模块，对换热器的性能进行仿真，再调用输出模块将仿真结果用图、表或者对话框等的形式显示出来。 图2 仿真系统的框架图其中，输入模块包括如下几个方面：1） 基本参数的输入：多联换热器组由几个换热器组成，即对几个换热器个体同时进行仿真；2） 制冷剂入口参数的输入：制冷剂的种类、制冷剂的入口压力、入口焓、和质量流率；3） 空气入口参数的输入：空气入口风速、入口干球温度、入口湿球温度和入口压力；4） 换热器参数的输入：换热器的种类、长、宽、高等结构参数；以及每个换热器采用的翅片类型，每个换热器采用的管子类型。由于需要录入的翅片类型和换热管类型的参数较多，因此本文引入数据库技术，构建了翅片类型库和换热管类型库，方便用户从数据库中导入翅片类型和换热器类型的参数； 5） 管路连接关系的输入：本文引入可视化技术，通过用户在界面上对换热管的选择和拾取来形象直观地确定换热器的管路连接关系。仿真运算模块主要是通过调用输入模块的输入参数，对换热器的换热及压降特性进行仿真运算，为输出模块准备相应的输出参数。输出模块输出的参数包括如下几个方面：1） 换热器整体性能参数的输出：换热器的总换 热量、总压降和换热器中制冷剂的充注量；2） 制冷剂出口参数的输出：制冷剂出口的压力、温度、焓、干度、过热（冷）度等参数；3） 空气出口参数的输出：空气出口风量、出口干球温度、出口湿球温度和出口压力。3 仿真系统的实现方法3.1 引入数据库技术实现各种类型的翅片和换热管的参数的输入由于本仿真系统要求能够对多联运行的换热器组的性能进行仿真预测，而且要求多联换热器组中的每个换热器可以采用各自独立的翅片类型和换热管类型。但由于每种类型的翅片和换热管的类型的参数为8-12个不等，如果采用对话框的形式录入翅片类型和换热管类型的参数，则对包含n个换热器的多联换热器组来说，要录入（812）n个数据。这是相当繁琐的，也不便于对翅片类型和换热管类型的参数进行统一的管理和分析。为了解决这个问题，本文引入数据库技术，建立了基于CSV文件的翅片类型和换热管类型的数据库，实现了相应的数据库的基本功能，方便用户管理和录入各种类型的翅片和换热管的参数。3.1.1 基于CSV文件的数据库的简介CSV文件是指逗号分隔文件，是一种在实际的科学实验和研究分析中经常用到的文件格式，具有简单，易编辑，可以被多种文档编辑器打开和编辑（如Excel，Word，文本编辑器）等优点。此外，相比FoxPro，Oracle等大型的专门的数据库软件来说，以CSV文件为基础来建立简单的数据库表格来保存各种翅片类型和换热管类型的参数，具有简单，不需要另外专门软件的支持，能较好地与Visual C+结合等优点。本文将同一类型翅片的参数保存在以这种翅片类型名称命名的CSV文件中，如Wavy_Fin.csv，Slit_Fin.csv 等等。两种换热管的参数也分别保存在Smooth.csv和Enhanced.csv文件中。在仿真软件的界面上以数据表格的形式来直观的显示这些文件中的数据，并且可以通过鼠标点击数据表格中的记录和相应的控件就可以方便的将相应的参数导入到换热器的模型中，这样就避免了要录入（812）n个数据的繁琐。并且用统一格式的CSV文件来保存各种翅片类型的参数和各种换热管类型的参数，也便于对这些参数进行统一的管理和分析。由于本文仿真系统的开发环境是Visual C+ 集成开发环境，因此，要建立基于CSV文件的翅片类型和换热管类型的数据库，就要解决在Visual C+ 中如何读写CSV文件的问题，以及如何界面上实现对这些文件进行方便操作的功能。3.1.2 在VC中读写CSV文件本文通过对一个表格控件CGridCtrl类3的继承，构造了一个能够用表格形式将数据显示出来的类。这个类还包含一个能读写Excel文件和CSV文件的类CSpreadSheet4的对象，从而使得本文构造的这个类既能自由读写存储了各种翅片类型和换热管类型的参数的CSV文件的类，又可以采用表格控件的属性将CSV文件的内容用表格的形式显示在用户界面，便于用户编辑和选择相关数据，并导入到仿真模型中。本文构造的这个能够采用表格控件显示CSV文件内容的类的构造图如图3所示。它继承于表格控件，同时又包含了一个能读写CSV文件的CSpreadSheet类的对象。图3 能够采用表格显示CSV文件内容的类的构造图3.1.3 基于CSV文件的数据库的功能的实现通过调用上文构造的能够采用表格显示CSV文件内容的类来构建相应的对象，就可以在界面上实现对存储了翅片类型和换热管类型数据的CSV文件的修改、保存、以及对CSV文件内容进行排序，和将CSV文件中的数据导入到换热器仿真模型中等功能。3.2 引入OpenGL可视化技术来实现翅片管换热器的可视化可视化技术是利用计算机，根据数据产生图像，并利用图像的颜色、透明度等属性来反映数据的特征的技术。这种技术能将不可见的变为可见的，在短时间内通过图形传递大量的数据信息，使得研究人员能直观、迅速地观察和构建仿真系统所研究的对象。目前，在三维图形领域，OpenGL图形库是应用最广泛的3D图形应用接口（API）。3.2.1 OpenGL技术简介OpenGL是开放图形程序库（Open Graphics Library）的缩写，是SGI公司开发的一套高性能的图形处理系统5。它是一个和硬件无关的编程接口，由250个命令组成，是一个三维的图形和模型库。它能与面向对象集成开发环境Visual C+结合，用户通过这些命令能指定创建交互的3D或者2D几何对象。3.2.2 在VC中利用OpenGL技术在Visual C+集成开发环境中利用OpenGL技术，需要将OpenGL图形库的相关头文件和动态连接库文件关联到Windows系统的相关文件目录下和Visual C+的安装目录下。即将glut.dll拷贝到 c:windowssystem32文件目录下，将glut.lib拷贝到 c:Program FilesMicrosoft Visual StutioVC98lib文件目录下，将glut32.dll拷贝到 c:windowssystem32文件目录下，将glut32.lib拷贝到 c:ProgramFilesMicrosoftVisualStutio VC98lib文件目录下，将glut32.h拷贝到 c:ProgramFilesMicrosoftVisualStutioVC98IncludeGL文件目录下。3.2.3 基于OpenGL技术的可视化界面的实现本文利用OpenGL技术在图形化领域的强大功能，用形象、逼真的三维、以及二维图形来反映换热器的实体结构，并且利用OpenGL技术的灵活的交互能力，实现了换热器设计中交互式的管路连接。1) 用3D图形来反映换热器的实体结构：采用OpenGL提供的对实体的颜色、材质、光照等属性进行处理的方法，分别绘制出风向箭头、换热器框架、换热管、连接管，然后组合成换热器的实体结构。2) 对3D图形实现移动、旋转、缩放等功能：为了便于从多个角度观察实体模型以及研究每个局部的仿真结果，采用了OpenGL技术提供的视区变换、投影变换等处理方法。通过调用视点变换函数，确定场景中换热器实体的视点位置和方向，并通过投影变换将3