水化熱對地源熱泵的影響范文

本站小編為你精心準備了水化熱對地源熱泵的影響參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《同濟大學學報》2015年第四期

為了克服地埋管地源熱泵占地和初成本高等缺點，夏才初等提出了一種將地源熱泵系統的地下管路直接植入地下工程的能源地下工程技術，但在地下工程施工過程中，大體積混凝土的澆筑與地基加固會產生大量的水泥水化熱，而混凝土及加固體與周圍土體的導熱系數較小，使得地溫恢復的速度非常緩慢（4年以上）［2］．地溫升高將會使得地源熱泵系統夏季工況的換熱效率降低．目前通過實驗及數值模擬等手段對混凝土水化放熱過程進行了大量研究，并得出了一些推薦值或經驗公式；朱伯芳提出用復合指數式表示水泥水化熱和混凝土絕熱溫升，并根據試驗資料給出參數的經驗值；Schindler通過半絕熱放熱試驗建立與水化溫度相關的熱率模型，分析了不同摻量粉煤灰和礦渣對水化過程的影響，并總結已有試驗數據，提出水化放熱累計量的計算公式；李明賢等通過實驗手段研究了混凝土水化熱對多年凍土地溫的影響，得到了樁基礎水化熱的擴散半徑．

劉俊等對地源熱泵土壤溫度的恢復特性進行了模擬與研究，得出了地源熱泵系統運營過程中冷熱負荷不均衡引起地溫變化以及地溫恢復的規律；閆曉娜等對地源熱泵U形埋管的土壤溫度場進行了模擬研究與實驗對比，得到了換熱器的傳熱半徑；曹詩定針對能源地鐵站主要熱交換構件提出了平面、柱面及球面的熱源模型，并給出相應的理論解或數值解；孫猛基于能量守恒原理建立了地下連續墻內埋管的傳熱模型理論并采用分離變量法和格林函數法給出了解析解，并初步研究了水化熱對圍護結構溫度場的影響；但并未開展水化熱對地埋管周圍地溫的影響研究；而地溫變化對地埋管換熱效果影響的研究尚不多見．本文依托上海市自然博物館能源地下工程項目，基于上述水泥水化放熱量求解方法以及地埋管周圍地溫場變化特性，開展研究地下工程中水泥水化熱對地埋管周圍地溫的影響；然后基于上述地下連續墻內埋管的傳熱理論研究地溫變化對地埋管夏季工況換熱效果的影響，從而得出水化熱對地源熱泵地埋管換熱效果的影響，為保障地源熱泵系統的高效運行提供相應指導．

1上海市自然博物館工程概況

上海自然博物館位于上海市靜安區雕塑公園中．地鐵13號線從其下部穿越．基坑開挖深度為17．5m，采用地下連續墻作為圍護結構．為了減小基坑施工對周圍建筑的影響，在基坑的局部區域采用攪拌樁進行地基加固，基坑內攪拌樁加固區域寬8m，內坑外攪拌區寬0．85m，加固范圍為從第一道圈梁至底板以下4m；圈梁至底板攪拌區的水泥參量為180kg•m－3，底板下部攪拌區的水泥參量360kg•m－3；D2型地下連續墻尺寸為1m×6m×38m，內襯墻厚度為0．6m，底板厚度為1．5m．地基加固平面如圖1所示．上海自然博物館采用地源熱泵系統來承擔建筑冬季熱負荷和部分夏季冷負荷．受場地限制，采用能源地下工程的理念將地源熱泵系統地埋管布置在地鐵連續墻內、自然博物館外圍連續墻內以及自然博物館地下室范圍內的灌注樁內，如圖2所示．

2水泥水化熱對地溫的影響

通過Ansys數值模擬與現場實測地溫的變化來研究在地源熱泵系統投入使用時水泥水化熱對地溫的影響．數值模型依據上海自然博物館的D2－3地下連續墻與其周圍的加固土體（圖1）建立，同時現場測試該地下連續墻埋深25m和37m處地溫的變化．

2．1基本假設（1）假設埋深小于5m的初始地溫場由地表空氣對流換熱作用10年形成；（2）當地層埋深大于等于5m時，不考慮氣溫對地溫的影響，且認為地溫隨埋深成線性遞增；因為埋深5m處的地溫隨氣溫變化的振幅已衰減為地表的2．3％［10］；（3）不考慮混凝土與土體之間的接觸熱阻；（4）不考慮工程樁的水化熱，因為工程樁的有效面積比較小．

2．2計算模型二維計算剖面如圖3a所示，地下連續墻寬1m，地下連續墻左側（基坑外）土體寬度取20m，右側（基坑內）寬度取28m，地表以下取60m；計算模型如圖3b所示．

2．3熱物理參數為了簡化數值模型，將計算范圍熱物理性質相近的土層歸為同一土層，共分三層：軟土層（0～25m），硬土層（25～30m），承壓含水層（30～60m），并將各層內熱物理參數的平均值作為相應土層的熱物理參數值．各土層、攪拌樁及混凝土的材料熱物理參數見表1．

2．4邊界條件空氣與土體和混凝土之間屬于第三類邊界條件．（1）初始地溫場：通過數值計算10年時間的地表空氣對流換熱作用得到埋深小于5m的初始地溫場．對上海地區現有地溫測試數據進行擬合得到埋深大于等于5m的地溫函數。

2．5水化放熱模型由于水泥材料的水化熱釋放過程相對于地下工程的建設過程較短，所以，對地溫場起決定性作用的是水化熱總量，而與其水化放熱的模型關系相對較小．由此，混凝土與攪拌樁的水化熱模型均采用復合指數模型。2．6水化熱施加過程按照上海自然博物館的實際工況進行模擬．為了簡化模擬過程，水化熱每天施加一次，混凝土和土體與空氣的對流換熱每月進行一次，空氣溫度取每月的平均溫度，見表4．上海自然博物館埋管灌注樁（圖2）的有效深度為地下室底板以下0～45m，以此埋深范圍內的地溫變化來評判水化熱對地埋管換熱效果的影響．圖6是距地下連續墻一定范圍內地溫平均升高的情況，即距離地下連續墻2．85m處地溫的平均升高為2．2℃，距地下連續墻13m以內地溫的平均升高在1℃以上．圖7是在地源熱泵投入使用時沿深度方向的地溫分布曲線，即距離地下連續墻越近，地溫受到水化熱的影響越明顯，底板以下約10m處的地溫受水化熱影響最大．

3地溫升高對地埋管換熱效果的影響

3．1地溫升高對地埋管換熱效果影響的理論分析由牛頓冷卻定律可以得到單位時間對流換熱量。2．7計算結果對D2－3地下連續墻埋深25和37m處的溫度變化進行數值計算，并與實測數據對比．地下連續墻埋深25m處溫度的實測值與計算值偏差較大，如圖4所示；而埋深37m處兩者的數據較為吻合（圖5）．地基加固的區域為第一道圈梁至基坑底板以下4m（埋深21．5m），25m處測點的溫度受攪拌樁水化熱的影響較大，但實測值與理論計算值有一定的偏差，原因之一是攪拌樁施工質量受諸多因素的影響，相比地下連續墻其施工質量較難得到保證，如攪拌的均勻性，水泥凈漿摻入量會隨深度而不均勻，尤其是當深度較大時水泥凈漿摻入量較難保證。

3．2地埋管換熱效果的現場實測分析分別對上海自然博物館的D2－23和D3－1地下連續墻內埋管進行換熱能力測試．采用恒溫法測試地下連續墻內埋管的換熱效果．受水化熱的影響，在開始測試前地溫仍然維持在較高的溫度（平均值為29．5℃），為了保證一定的溫差，結合實驗條件，地下連續墻內埋管的進水溫度調整為38℃．實測進回水溫度變化曲線如圖8和圖9所示，實驗結果見表5．從D3－1測試數據可看出，開始試驗500min后進出水溫差接近穩定，此時進出口水溫差為3．1℃，換熱量為2．21kw，然后將進水溫度逐漸提高至39℃，進出口水溫差增加為3．4℃，換熱量為2．42kw，換熱量提高了9．50％．由式（8）計算該試驗工況中換熱量提高的變化率為11．76％，由于39℃的進水溫度在換熱量達到穩定期時已經歷了約650min，地埋管周圍的地溫會隨實驗的運行而升高，受現場實驗條件制約，此時的地溫仍按實驗前的平均地溫，因此由式（8）計算得到的換熱量變化率比現場實測的換熱量變化率大．

3．3地溫升高對地埋管換熱效果影響的數值分析將地埋管對流換熱問題由三維轉換成二維進行分析，然后基于Ansys軟件進行數值模擬．首先確定管內流體的平均溫度，然后計算流體出水溫度，從而得到地埋管的換熱量．

3．3．1基本假設（1）土層熱物理參數取不同埋深的平均值；（2）熱物理參數不隨溫度變化；（3）將系統運行12h之后的換熱量作為換熱效果的參考，因為地溫場在系統運行12h后達到穩定；（4）各個管內沿長度方向同一斷面的換熱量相同．

3．3．2計算模型根據D2－23段地下連續墻的埋管形式建立有限元模型，試驗時地下連續墻水平斷面有4根地埋管，取對稱模型，其中混凝土厚度為1m，基坑內、外土寬度體分別為1m和2m，模型寬度為3m，如圖10a所示．地埋管、混凝土和土體采用實體單元，在地埋管管壁附加表面效應單元，將熱對流邊界施加于表面效應單元上．計算模型如圖10b所示。

3．3．3熱物理參數模型中介質的熱物理參數見表6．

3．3．4邊界條件如圖10b中，模型左側為對稱邊界，其他邊界為恒溫邊界（溫度與地溫相同）；地埋管管內壁為熱流邊界．

3．3．5計算結果對D2－23地下連續墻進水溫度為38℃，平均地溫為29．5℃的實驗工況進行數值計算，得到的換熱量為2．63kw，現場實測結果為2．74kw（表5），兩者換熱量相差為4．0％．雖然有限元法不能準確地模擬熱響應試驗過程，但是用其計算溫度場穩定時地下連續墻內埋管換的熱量與試驗結果較為吻合．對進水溫度為35℃，地溫為17．6℃～30℃的試驗工況進行數值計算，得到系統在運行48h的換熱量，如圖11所示．圖中，R為相關系數。由上述計算可知上海自然博物館地源熱泵夏季工況地埋管總換熱量隨初始地溫升高而線性減小，且地溫升高1℃，換熱量減小5．76％，與式（8）計算所得的5．75％較為吻合．

3．4結果對比分析通過現場實測D3－1地下連續墻內埋管在進水溫度變化1℃時換熱量的變化，得到相應的換熱量的變化率，并與理論分析進行對比，驗證了式（8）的合理性，然后通過式（8）計算得到地溫變化1℃對上海自然博物館地源熱泵地埋管換熱量的影響．將現場實測D2－23地下連續墻內埋管的換熱量與數值計算進行對比，驗證了數值計算的合理性，然后通過數值計算得到地溫變化1℃對上海自然博物館地源熱泵地埋管換熱量的影響．

4結論

（1）受地下工程混凝土與地基加固區水泥水化熱的影響，在地源熱泵系統投入使用時，上海自然博物館地下室底板以下約10m處的地溫受水化熱影響最大，在距離地下連續墻2．85m處地溫的平均升高為2．2℃．（2）對于地源熱泵系統的夏季工況，地埋管換熱量隨初始地溫升高而線性減小，周圍地溫每升高1℃，將使地埋管的換熱量減小5％以上．（3）地源熱泵系統由夏季工況作為首次投入使用時應對距離地下連續墻13m以內地埋管采取較低溫度的水循環回冷等措施，以保證換熱系統高效運行．

作者：夏才初 劉志方 肖素光 黃曼 單位：同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室 紹興文理學院 土木工程學院