黏土地基中能量桩传热性能研究

赵嵩颖，王梦娜，郑浩男

1吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118 2中国铁建房地产集团有限公司,长春 130118

0 引言

近年来,环境污染、能源危机、土地资源匮乏等问题日益严重,在许多能源消耗中,建筑能源消耗占全球能源消耗的40 %[1],因此，能量桩技术已成为国内外热点话题之一.能量桩是一种由地源热泵技术与桩基埋管换热器结合组成的经济高效节能减排技术[2-4].能量桩换热系统的换热体作为整个热泵系统的热交换中心,其热交换效果与土壤的传热性能密切相关.由于土壤的热物性影响热量的传递,因此土壤对能量桩系统的传热效果影响显著[5].

本文以探究能量桩系统在黏土地基下的传热效率为出发点,通过模拟与试验验证,得到系统运行时土壤的温度变化规律，针对系统进行不同的启停比试验,得出了最适合黏土地基的系统运行模式，为能量桩传热系统在应用过程中的设计和运行提供理论依据.

1 黏土地基中能量桩传热模拟

1.1 模型的建立及网格划分

建立能量桩换热系统数值模型,模型尺寸为10 m×10 m×10 m(长×宽×高),模型中心设置螺旋传热管,将能量桩外部换热体简化为中心热源半径为0.6 m圆柱热源体，土壤层即为计算区域，采用结构化网格对能量桩传热系统模型进行精细划分.

为了在模拟运算过程中达到尽量精确且运算速度尽量快捷的目的,对网格高标准要求,最终划分得到的网格元素个数为254 094个，对网格质量进行检查,网格质量在0.98及以上的网格数量占0.840 % ,故网格质量满足计算要求.

1.2 简化假设及边界条件的设置

为了建立能量桩换热器三维瞬态传热模型,提出以下假设:

(1)假设黏土和桩均匀,忽略水分和溶质的传递;

(2)假设处于管道中工作的流体的流动为湍流;

(3)假设循环流体流动从上向下流动,管内流体流速均匀;

(4)假设土壤初始温度均匀一致,土壤温度不受外界干扰且远边界温度保持恒定.

为了让模拟更贴合实际,在土箱四周包裹保温层,假定土壤顶面、底面及四周为绝热面,只考虑温度对黏土传热的影响.传热管设定为定温面,温度为40 ℃,经模拟对比分析可知,该假设及边界条件的设置更为合理.土壤参数见表1.

表1 土壤各项参数

1.3 模拟结果分析

建立能量桩系统传热模型,结合实际情况简化边界条件和给定参数,对系统进行模拟计算.图1,图2,图3分别为第1 h,12 h,24 h时刻桩体中心纵剖面的传热分布云图.

图1 黏土中能量桩传热分布云图(1 h)

图2 黏土中能量桩传热分布云图(12 h)

图3 黏土中能量桩传热分布云图(24 h)

由传热分布云图可得,随着运行时间的增加,能量桩传热系统热量传递的作用范围主要沿径向扩展.对不同黏土的温度进行模拟，如图4所示.

通过图4可以看出,0 h～24 h内黏土温度逐渐升高且在3 h～7 h温度增加速率最快,随后上升速度趋于平缓,24 h后黏土温度趋于稳定.

图4 黏土模拟温度变化趋势

2 试验方法与结果

2.1 小型试验台的搭建

图5为按真实比例缩小20倍的小型土箱试验台的简图,由箱体、土体、绝热层、电加热管、智能温度控制器和数据采集仪等装置组成.

图5 试验土箱及测点布置

由于本试验主要测量黏土的导热性能,因此用电加热管代替能量桩来简化试验.电加热管选用Q 6型干烧加热管,各项参数见表2.土箱尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m(长×宽×高),箱体外侧覆盖绝热层,选用5 cm厚苯板保温,保证土壤传热不受外界影响.土箱中心放置电加热管,连接温控器保证温度稳定.为检测土壤传热效果,在热源中心5 cm处设置热电偶温度测点.由于能量桩在温度传递过程中各向同性[6],所以土箱一侧温度测点所测数据可以代表整体温度传递试验数据.

表2 电加热管参数

试验所用的监测设备主要有:热电偶、智能温度控制器、数据采集仪.其中,热电偶为K型热电偶,型号为KLH1001K(如图6所示);智能温度控制器型号为KT-12(如图7所示);数据采集仪为KLH便携式数据采集仪,型号KLH8004U(如图8所示).

图6 K型热电偶 图7 智能温度控制器 图8 KLH智能数据采集仪

2.2 试验设计

为探究黏土地基在能量桩系统运行时的温度变化规律,试验将黏土经过风干处理后均匀铺入土箱中,铺入过程中将事先准备好的K型热电偶放入距离土箱中心5 cm处,检测所有仪器连接完毕后,打开数据采集仪记录土壤初始温度.设定数据采集仪间隔1 h记录储存土壤温度,设置温控器40 ℃,测量时间为24 h.土壤温度数据见表3.土壤试验温度变化曲线如图9所示，将黏土试验温度与模拟温度进行对比，温度变化曲线如图10所示.

表3 黏土传热24 h试验数据

图9 黏土试验温度变化曲线

图10 黏土模拟与试验温度变化曲线

在间歇运行操作条件下,土壤传热效率与间歇操作模式密切相关[6].为高效利用土壤传热时间,提升能量桩系统传热效率,试验以12 h为一个周期,分别采用1∶1,5∶7,2∶1这3种启停比记录土壤温度.

2.3 试验数据分析

2.3.1 不同时刻黏土传热效率分析

通过数据采集仪记录试验数据(见表3)可以看出,随着能量桩系统运行时间增加,黏土的温度逐渐增加后趋于稳定.在3 h～7 h内黏土温度升高最快,此时土壤传热效率最高;9 h～16 h温度升高速度下降,逐渐趋于平缓,传热效率减慢;23 h后土壤温度稳定.

为了验证结果准确性,将黏土实际传热效果和能量桩传热系统模拟的结果进行分析比对看出,模拟土壤温度比实际土壤温度略高,这是由于模拟设定土箱四周绝热,而实际操作中保温层不能完全绝热导致.0 h～19 h黏土模拟与实际温度上升趋势一致,19 h～24 h土壤温度保持平稳,土壤内热容量接近最大值,24 h后温度几乎不再变化,系统达到平衡.受外界温度影响,系统达到平衡后黏土试验温度略有下降,但平衡趋势不变.黏土的模拟和试验温度变化曲线总体基本吻合.

2.3.2 不同启停比黏土传热效率分析

在间歇运行操作条件下,土壤温度与间歇操作模式紧密相关.试验测得黏土分别在启停比1∶1,5∶7,2∶1工况下温度数据如图11所示.

图11 黏土在不同启停比下的温度变化曲线

通过24 h试验观察,在启停比分别为1∶1,5∶7,2∶1的工况下,启停比越小,黏土温度恢复率越高.0 h～12 h周期内,启停比1∶1时黏土6 h达到峰值,温度23.3 ℃,随后温度下降; 启停比5∶7时黏土5 h达到峰值,温度22.6 ℃,随后温度下降;启停比2∶1时黏土8 h达到峰值,温度24.1 ℃,随后温度下降; 12 h～24 h周期内,启停比1∶1时黏土18 h再次达到峰值,温度24.7 ℃,随后温度下降,两次峰值温差为1.4 ℃;启停比5∶7时黏土17 h再次达到峰值,温度23.1 ℃,随后温度下降,两次峰值温差为0.5 ℃;启停比2∶1时黏土20 h再次达到峰值,温度26.1 ℃,随后温度下降,两次峰值温差为2 ℃.对比发现黏土在启停比为2∶1时,能够高效利用其有效传热时间,黏土温度变化呈上升趋势,且速率最快,故黏土最适合采用运行12 h间歇6 h的运行模式.

3 结论

本文基于黏土地基对能量桩系统的传热效果进行研究,搭建了小型试验台和相应模型进行数值分析；建立三维数值模型,探究黏土温度随系统运行时间的变化规律;通过搭建试验台验证了模拟的准确性,并研究黏土在能量桩系统不同运行模式下的传热效果.得到如下结论:

(1)在能量桩系统运行过程中,对24 h内不同时刻黏土地基的温度进行模拟与试验,结果表明，能量桩热量传递的作用范围沿径向扩展,随着运行时间增加,土壤温度先迅速上升再趋于平缓，最后达到平衡态,且在3 h～7 h土壤传热效率最高.

(2)分别采用1∶1,5∶7,2∶1这3种不同的启停比观察黏土温度变化,结果表明，连续24 h运行模式下,黏土在启停比为2∶1的工况下温度传递效率最高,黏土最适合采用运行12 h间歇6 h的运行模式.