桩埋管换热器传热性能的实验研究

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现今能源和环境问题日益凸显,暖通空调行业产生的能源消耗和环境污染在能源和环境问题中所占比重越来越大,故以节能和环保为主要特征的地源热泵空调系统具有良好的发展前景。桩基埋管系统是将换热器放置于建筑物的混凝土桩基内,使之与建筑结构相结合,通过桩基与周围岩土体进行热交换的新型换热器埋置系统。桩基埋管同传统的钻孔埋管方式相比能够充分利用建筑物的空间,不占用额外的用地面积,且具有更高的单位换热量,最重要的是省去了钻孔费用(该费用占土壤源热泵系统总投资的50%以上),有效地解决了钻孔埋管方式在其推广发展中的瓶颈。   螺旋型桩基埋管换热器是将螺旋管与混凝土桩基各自的优点相结合的一种新型换热器埋置方式,充分利用了螺旋管换热系数高与桩体接触面积大的特点,并且可以放置更多的埋管,在相同的体积内获得最大的传热面积,且整个换热器连接处少,不容易聚集气体,避免了“热短路”现象的产生,是理想的桩埋管换热器埋管类型。桩基埋管的施工方式主要有两种。第一种是将换热管预先放置于桩基的钢筋笼框架内,浇筑混凝土时一起置于建筑物的基础内;第二种是先将换热管固定于建筑物桩基预制的空心钢筋笼内,随钢筋笼一起下到桩井中,然后浇筑混凝土。我国目前的建筑桩基主要为钻孔灌注桩,因此第二种形式的施工方法比较可行。本文结合具体的工程项目对螺旋型桩基埋管换热器的制作和施工过程进行了简述,为以后同类型的工程提供参考和借鉴。   由于目前国内外对于桩埋管的研究更多集中于U型桩埋管,对此的理论和实验研究颇多,对于螺旋型桩基埋管的理论和实验研究极少,比较常用的线热源模型和柱热源模型并不适合螺旋型桩基埋管换热器的传热机理,有学者提出了线圈模型来研究螺旋管传热过程。本文主要通过现场实验和数值模拟的方法对螺旋型桩基埋管的换热性能进行分析研究。论文现场实验部分,对两根不同深度的螺旋型桩基埋管换热器进行了热响应实验,两根同直径的实验桩内螺旋管的尺寸和螺距相同,经测试得出了实验场地土壤的初始温度和单位桩长的换热量,桩身长度越长,总换热量越大,土壤初始温度越高,越利于冬季取热,温度越低,越利于夏季储热。   本文建立了螺旋管的三维瞬态传热模型,利用ANSYS软件模拟系统储热72小时后的温度场,研究了不同的管材导热系数、螺距和土壤导热系数条件下螺旋埋管换热器传热性能的变化,埋管材料的导熟系数对换热器的传热效果影响较大,其导熟系数越大,单位时间内埋管的换热量就越大,出口处的温度越低,桩壁的温度越高,温度的影响半径就越大;螺距对于桩埋管的换热性能也影响,螺距越小,桩体内埋管的总长度越长,单位时间的换热量就越高;周围土壤导热系数对桩基内部和外部温度分布的影响不同,在桩基内部,土壤的导热系数越高,桩内温度越低,桩壁的温度越低,出口处的温度越低,整体换热性能越好,在桩基外部,导热系数越高,周围的土壤的温度越低,温度影响半径越大。通过以上研究得出,桩基的长度、埋管的导热系数和周围土壤的导热系数越大,换热器的整体换热性能越好,螺距越小,装埋管换热器的换热量越大。通过本文的研究,可以为桩埋管特别是螺旋型桩基埋管的设计提供参考。
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