低温热管地热利用试验及数值模拟

王怀静

【摘要】本文一开始通过初步的介绍对地热采暖的优点进行了相应的描述，然后对低温热管地热控制做了阐述，最后详细的分析了低温热管地热利用试验及数值模拟。

【关键词】低温热管，地热利用，数值模拟

一、前言

由于低温热管地热利用率的不断的发展和进步，对地热利用的要求也就更高，但是在实际的利用过程中，一些技术已经满足不了日益增多的需求，这就要提醒我们在工作中对低温热管地热利用试验及数值模拟的需求。

二、地热采暖的优点

1、节约能源

房间内沿高度方向上温度分布比较均匀，温度梯度小，减少了无效热损失。辐射供暖房间设计温度可比散热器采暖方式低2-3℃，却能获得更佳的舒适感，从而起到减少供热量，节约能源的作用。同时，由于低温传送，故热量损失小。

2、温度均匀

高空间的展厅按传统供暖方式，靠外墙仅能布置有限数量的暖气片。同时，由于举架高，热空气上升，会造成上热下冷，很难保证工作地带的室温。低温地面辐射采暖方式则较好地解决了这一难题。

3、节省居室面积

减少了常规采暖方式暖气所在的空间面积，可节省宝贵的居室实际面积6-10%，也就是说一个100平方米的居室由于放置和装饰散热器，将白白损失6-10平方米的居室面积，假如3000元/平方米，那么将损失掉18000-30000元，这还不包括因装修暖气片而需要的装修材料费用及人工费，而选用地热采暖就可以全部节省这笔费用。

4、运行费用低

暖气片供暖方式一般15-20年需更换管道和部分暖气片，而地板辐射供暖只需定期清洗过滤器，运行费用仅为系统微型泵的电力消耗，故维修运行费用极低。

三、低温热管地热控制

1、绝热层铺置

铺置前要对楼面做好处理，要保证墙根处没有积尘，要保证表面光滑平整、干燥不潮湿、没有凸出的结块，以免绝热层铺置在不平整的基层上，要在确保绝缘层不会被破坏的基础上，尽可能地控制好楼层的净高。同时要事先在内外墙的交接处留出一定的伸缩缝，内部填充聚乙烯泡沫板，泡沫板和墙体之间要固定牢靠，而且要紧密联系地面的绝热层。

2、安装分集水器

分集水器位置的选择要合理：1）要尽可能靠近采暖管，尽量减少入户的管道数量；2）为了便于日常维修，通常选择放在厨卫厅。一定要注意的是供水回水两个管道不能接反，通常来说分集水器的供回管道是上供下回，过滤器要安装在分水器前端，要是供回水管道接反了，过滤器就会失去作用，等时间一长，杂质进入了地暖系统，会造成管道系统的堵塞，进而影响供暖效果。

3、铺设加热管

依据不同房间散热保温情况，进行针对性地加热管设计和铺设，高温管段应该先布置在外墙侧与外窗，如果房间的面积比较大的时候可以设置两路或者两路以上的回路。填充层里面的加热管不允许有接头，管道弯曲的时候也不允许有死折的出现。塑料和铝塑的复合管的弯曲半径不应当比6倍管外径小，铜管的弯曲半径不应该比5倍管外径小。而卫生间和厨房这类面积比较小的空间不可以用平行的布管方式，应该使用回字形的布管方式。使用U形带刺固定管卡将安置好的加热管固定于绝热层，直管段的固定间距以50cm～70cm为宜，弯曲管段的固定间距宜以20cm～30cm为宜，在弯头两端使用固定管卡固定。以上工作完成后还要用钢丝在上方铺一层钢丝网。在加热管铺设之前要仔细检查管道的内外有雾污垢杂物，所用管道在使用前应做水压试验，以便检查有没有漏点。

4、中间验收

分集水器及加热管安装之后一定要进行中间验收，及时检查各个管道及接口处有无渗漏现象、阀门开关是否灵活严密等，而且要再次做水压试验。当系统冲洗合格之后才能进行水压试验。要先固定好试压管道及零件，并采取一定的保护措施，水压试验的压力要是正常工作是压力的1.5倍，其最低标准也不能低于0.6MPa。向分集水器中慢慢的注水，把管道中的空气同步排出，使用手动泵对其缓慢升压，其时间不能小于15min，当压力升至正常的工作压力后保持该压力1h，在1h内压力正常下降不能超过0.05MPa。

5、浇筑填充层

当水压试验成功后就要开始做填充层，湿铺法是目前施工中最常见的方法，填充层的厚度以5cm为宜。为了保护反射膜及绝热层，其填充材料通常选用豆石混凝土，配比是水泥：黄砂：豆石=1：2：3，豆石的粒径要小于12mm，同时要添加定量的微膨胀剂。当加热管的系统水压值不低于0.6MPa时才能浇筑豆石混凝土，这样既能避免加热管受混凝土挤压导致变形，万一管道有地方损坏也能及时发现。填充层的养护期不能少于21天，养护期间要保证加热管中的系统水压不能低于0.4MPa。

6、调试

当填充层额养护期结束后，要对地暖系统进一步调试，确保系统的水力及热力情况能达到最初的设计要求，没有经过调试的地暖系统不可以运行使用。初次加热使用时，水温要控制在比当时的环境温度高10e左右，但最高温度不能高于32e，通热48h后以3e/24h的速度逐步把水温提升到预设的温度，最后再次对系统内部每个回路进行检测、调试。

四、低温热管地热利用试验及数值模拟

1、重力热管构建

在搭建重力热管时，都采用了合理的假设，将热管分成了三个部分，而两者的不同点在于，基于VOF模型的案例，将热管分为了蒸发段、隔热段和冷凝段，然而基于SIMPLE算法的案例将重力热管分为了蒸汽区、液膜区和固体壁区三个区域，在构建重力热管时不同的区域划分，通常是由研究侧重点决定的，在研究热管中的热量传递时，往往采用第一种方法；而在研究热管中的管壁温度分布时，往往采用第二种方法。

2、物理模型的假设条件

在重力热管的物理模型建立时，由于真实热管运作时内部流动和传热十分复杂，所以必须进行一些合理的理想化假设，才能方便的构建出热管的物理模型，通常对于不同的数值模拟假设条件有这些：热管处在稳态工作状态，管内流体为稳态流动；热物理常数不随温度变化而变化；蒸发段和冷凝段外表面为等热流密度邊界条件、热管两端面为绝热面；汽、液两相为饱和流体且为连续流动，充液率适当，无液池存在或存在一个高度较小的液池；汽液流体流动为层流流动，而且蒸汽为亚音速流动；流动与传热问题为二维轴对称问题，即蒸气流速和压力及液体流速和压力仅是轴向位置的函数。

3、网格划分

（一）、网格选择

FLUENT在二维问题中可以使用由三角形、四边形或混合单元组成的网格，在三维问题中可以使用四面体，六面体，金字塔形以及楔形单元，或者两种单元的混合；

（二）、网格节点密度和聚集度

由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。在近壁面区域，不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率；

（三）、网格单元形状

单元的形状（包括单元的歪斜和比率）明显的影响了数值解的精度。四边形网格最好的单元就是顶角为90度，三角形网格最好的单元就是顶角为60度。对于各向异性流动，过渡的比率可以用较少的单元产生较为精确的结果。但是一般说来应该尽量避免比率大于5：1。

五、结束语

低温热管地热利用试验及数值模拟在每一条高速公路建设中都有着重要的作用。在山区公路建设的过程中，如果山区公路的设计得不到充分保障，存在潜在隐患，那么，对山区公路的质量会产生很大的影响。

参考文献

[1]王子介.低温辐射供暖与辐射供冷[M].北京：机械工业出版社，2011

[2]孟隆，吴立龙.低温热水地面辐射采暖的发展应用及其优越性[J].科技致富向导，2011，11：147

[3]杨晓明.我国低温热水地板辐射采暖系统的现状与发展[J].郑州轻工业学院学报，2010