黏土地基中能量樁傳熱性能研究

趙嵩穎，王夢娜，鄭浩男

1吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118 2中國鐵建房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司,長春 130118

0 引言

近年來,環(huán)境污染、能源危機、土地資源匱乏等問題日益嚴(yán)重,在許多能源消耗中,建筑能源消耗占全球能源消耗的40 %[1],因此，能量樁技術(shù)已成為國內(nèi)外熱點話題之一.能量樁是一種由地源熱泵技術(shù)與樁基埋管換熱器結(jié)合組成的經(jīng)濟(jì)高效節(jié)能減排技術(shù)[2-4].能量樁換熱系統(tǒng)的換熱體作為整個熱泵系統(tǒng)的熱交換中心,其熱交換效果與土壤的傳熱性能密切相關(guān).由于土壤的熱物性影響熱量的傳遞,因此土壤對能量樁系統(tǒng)的傳熱效果影響顯著[5].

本文以探究能量樁系統(tǒng)在黏土地基下的傳熱效率為出發(fā)點,通過模擬與試驗驗證,得到系統(tǒng)運行時土壤的溫度變化規(guī)律，針對系統(tǒng)進(jìn)行不同的啟停比試驗,得出了最適合黏土地基的系統(tǒng)運行模式，為能量樁傳熱系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的設(shè)計和運行提供理論依據(jù).

1 黏土地基中能量樁傳熱模擬

1.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

建立能量樁換熱系統(tǒng)數(shù)值模型,模型尺寸為10 m×10 m×10 m(長×寬×高),模型中心設(shè)置螺旋傳熱管,將能量樁外部換熱體簡化為中心熱源半徑為0.6 m圓柱熱源體，土壤層即為計算區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對能量樁傳熱系統(tǒng)模型進(jìn)行精細(xì)劃分.

為了在模擬運算過程中達(dá)到盡量精確且運算速度盡量快捷的目的,對網(wǎng)格高標(biāo)準(zhǔn)要求,最終劃分得到的網(wǎng)格元素個數(shù)為254 094個，對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查,網(wǎng)格質(zhì)量在0.98及以上的網(wǎng)格數(shù)量占0.840 % ,故網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求.

1.2 簡化假設(shè)及邊界條件的設(shè)置

為了建立能量樁換熱器三維瞬態(tài)傳熱模型,提出以下假設(shè):

(1)假設(shè)黏土和樁均勻,忽略水分和溶質(zhì)的傳遞;

(2)假設(shè)處于管道中工作的流體的流動為湍流;

(3)假設(shè)循環(huán)流體流動從上向下流動,管內(nèi)流體流速均勻;

(4)假設(shè)土壤初始溫度均勻一致,土壤溫度不受外界干擾且遠(yuǎn)邊界溫度保持恒定.

為了讓模擬更貼合實際,在土箱四周包裹保溫層,假定土壤頂面、底面及四周為絕熱面,只考慮溫度對黏土傳熱的影響.傳熱管設(shè)定為定溫面,溫度為40 ℃,經(jīng)模擬對比分析可知,該假設(shè)及邊界條件的設(shè)置更為合理.土壤參數(shù)見表1.

表1 土壤各項參數(shù)

1.3 模擬結(jié)果分析

建立能量樁系統(tǒng)傳熱模型,結(jié)合實際情況簡化邊界條件和給定參數(shù),對系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算.圖1,圖2,圖3分別為第1 h,12 h,24 h時刻樁體中心縱剖面的傳熱分布云圖.

圖1 黏土中能量樁傳熱分布云圖(1 h)

圖2 黏土中能量樁傳熱分布云圖(12 h)

圖3 黏土中能量樁傳熱分布云圖(24 h)

由傳熱分布云圖可得,隨著運行時間的增加,能量樁傳熱系統(tǒng)熱量傳遞的作用范圍主要沿徑向擴(kuò)展.對不同黏土的溫度進(jìn)行模擬，如圖4所示.

通過圖4可以看出,0 h～24 h內(nèi)黏土溫度逐漸升高且在3 h～7 h溫度增加速率最快,隨后上升速度趨于平緩,24 h后黏土溫度趨于穩(wěn)定.

圖4 黏土模擬溫度變化趨勢

2 試驗方法與結(jié)果

2.1 小型試驗臺的搭建

圖5為按真實比例縮小20倍的小型土箱試驗臺的簡圖,由箱體、土體、絕熱層、電加熱管、智能溫度控制器和數(shù)據(jù)采集儀等裝置組成.

圖5 試驗土箱及測點布置

由于本試驗主要測量黏土的導(dǎo)熱性能,因此用電加熱管代替能量樁來簡化試驗.電加熱管選用Q 6型干燒加熱管,各項參數(shù)見表2.土箱尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高),箱體外側(cè)覆蓋絕熱層,選用5 cm厚苯板保溫,保證土壤傳熱不受外界影響.土箱中心放置電加熱管,連接溫控器保證溫度穩(wěn)定.為檢測土壤傳熱效果,在熱源中心5 cm處設(shè)置熱電偶溫度測點.由于能量樁在溫度傳遞過程中各向同性[6],所以土箱一側(cè)溫度測點所測數(shù)據(jù)可以代表整體溫度傳遞試驗數(shù)據(jù).

表2 電加熱管參數(shù)

試驗所用的監(jiān)測設(shè)備主要有:熱電偶、智能溫度控制器、數(shù)據(jù)采集儀.其中,熱電偶為K型熱電偶,型號為KLH1001K(如圖6所示);智能溫度控制器型號為KT-12(如圖7所示);數(shù)據(jù)采集儀為KLH便攜式數(shù)據(jù)采集儀,型號KLH8004U(如圖8所示).

圖6 K型熱電偶 圖7 智能溫度控制器 圖8 KLH智能數(shù)據(jù)采集儀

2.2 試驗設(shè)計

為探究黏土地基在能量樁系統(tǒng)運行時的溫度變化規(guī)律,試驗將黏土經(jīng)過風(fēng)干處理后均勻鋪入土箱中,鋪入過程中將事先準(zhǔn)備好的K型熱電偶放入距離土箱中心5 cm處,檢測所有儀器連接完畢后,打開數(shù)據(jù)采集儀記錄土壤初始溫度.設(shè)定數(shù)據(jù)采集儀間隔1 h記錄儲存土壤溫度,設(shè)置溫控器40 ℃,測量時間為24 h.土壤溫度數(shù)據(jù)見表3.土壤試驗溫度變化曲線如圖9所示，將黏土試驗溫度與模擬溫度進(jìn)行對比，溫度變化曲線如圖10所示.

表3 黏土傳熱24 h試驗數(shù)據(jù)

圖9 黏土試驗溫度變化曲線

圖10 黏土模擬與試驗溫度變化曲線

在間歇運行操作條件下,土壤傳熱效率與間歇操作模式密切相關(guān)[6].為高效利用土壤傳熱時間,提升能量樁系統(tǒng)傳熱效率,試驗以12 h為一個周期,分別采用1∶1,5∶7,2∶1這3種啟停比記錄土壤溫度.

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 不同時刻黏土傳熱效率分析

通過數(shù)據(jù)采集儀記錄試驗數(shù)據(jù)(見表3)可以看出,隨著能量樁系統(tǒng)運行時間增加,黏土的溫度逐漸增加后趨于穩(wěn)定.在3 h～7 h內(nèi)黏土溫度升高最快,此時土壤傳熱效率最高;9 h～16 h溫度升高速度下降,逐漸趨于平緩,傳熱效率減慢;23 h后土壤溫度穩(wěn)定.

為了驗證結(jié)果準(zhǔn)確性,將黏土實際傳熱效果和能量樁傳熱系統(tǒng)模擬的結(jié)果進(jìn)行分析比對看出,模擬土壤溫度比實際土壤溫度略高,這是由于模擬設(shè)定土箱四周絕熱,而實際操作中保溫層不能完全絕熱導(dǎo)致.0 h～19 h黏土模擬與實際溫度上升趨勢一致,19 h～24 h土壤溫度保持平穩(wěn),土壤內(nèi)熱容量接近最大值,24 h后溫度幾乎不再變化,系統(tǒng)達(dá)到平衡.受外界溫度影響,系統(tǒng)達(dá)到平衡后黏土試驗溫度略有下降,但平衡趨勢不變.黏土的模擬和試驗溫度變化曲線總體基本吻合.

2.3.2 不同啟停比黏土傳熱效率分析

在間歇運行操作條件下,土壤溫度與間歇操作模式緊密相關(guān).試驗測得黏土分別在啟停比1∶1,5∶7,2∶1工況下溫度數(shù)據(jù)如圖11所示.

圖11 黏土在不同啟停比下的溫度變化曲線

通過24 h試驗觀察,在啟停比分別為1∶1,5∶7,2∶1的工況下,啟停比越小,黏土溫度恢復(fù)率越高.0 h～12 h周期內(nèi),啟停比1∶1時黏土6 h達(dá)到峰值,溫度23.3 ℃,隨后溫度下降; 啟停比5∶7時黏土5 h達(dá)到峰值,溫度22.6 ℃,隨后溫度下降;啟停比2∶1時黏土8 h達(dá)到峰值,溫度24.1 ℃,隨后溫度下降; 12 h～24 h周期內(nèi),啟停比1∶1時黏土18 h再次達(dá)到峰值,溫度24.7 ℃,隨后溫度下降,兩次峰值溫差為1.4 ℃;啟停比5∶7時黏土17 h再次達(dá)到峰值,溫度23.1 ℃,隨后溫度下降,兩次峰值溫差為0.5 ℃;啟停比2∶1時黏土20 h再次達(dá)到峰值,溫度26.1 ℃,隨后溫度下降,兩次峰值溫差為2 ℃.對比發(fā)現(xiàn)黏土在啟停比為2∶1時,能夠高效利用其有效傳熱時間,黏土溫度變化呈上升趨勢,且速率最快,故黏土最適合采用運行12 h間歇6 h的運行模式.

3 結(jié)論

本文基于黏土地基對能量樁系統(tǒng)的傳熱效果進(jìn)行研究,搭建了小型試驗臺和相應(yīng)模型進(jìn)行數(shù)值分析；建立三維數(shù)值模型,探究黏土溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化規(guī)律;通過搭建試驗臺驗證了模擬的準(zhǔn)確性,并研究黏土在能量樁系統(tǒng)不同運行模式下的傳熱效果.得到如下結(jié)論:

(1)在能量樁系統(tǒng)運行過程中,對24 h內(nèi)不同時刻黏土地基的溫度進(jìn)行模擬與試驗,結(jié)果表明，能量樁熱量傳遞的作用范圍沿徑向擴(kuò)展,隨著運行時間增加,土壤溫度先迅速上升再趨于平緩，最后達(dá)到平衡態(tài),且在3 h～7 h土壤傳熱效率最高.

(2)分別采用1∶1,5∶7,2∶1這3種不同的啟停比觀察黏土溫度變化,結(jié)果表明，連續(xù)24 h運行模式下,黏土在啟停比為2∶1的工況下溫度傳遞效率最高,黏土最適合采用運行12 h間歇6 h的運行模式.