能源桩传热数值模拟暨热响应半径研究

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能源桩作为一种新型桩基埋管地源热泵技术,既可承受上部建筑传来的荷载,又可与浅层地热能进行热交换,近年来得到了较快的发展。然而,随着可再生能源的开发利用,环境保护过程中温度变化引起的岩土工程热环境问题也受到国内外学者的高度重视,因而开展能源桩传热特性研究具有重要的理论、工程实践价值和现实意义。本文的主要目的是在桩基埋管传热解析模型的基础上,建立了离散化的数值模型,分析了能源桩桩周岩土体温度场的分布特征,研究了能源桩换热性能的影响因素。在无限长线热源模型的基础上,提出了单工况荷载作用下能源桩热响应半径计算方法,并针对实际工程中能源桩每延米换热功率是时间的函数,建立了变负荷作用下能源桩传热数值模型,提出了能源桩全生命周期热响应半径简化计算方法。完成的工作成果主要包括:(1)建立了恒定加热功率(TRT)工况下能源桩三维传热数值模型,讨论了桩壁处过余温度随时间的变化关系以及不同加热时间下,过余温度沿半径方向和深度方向的分布,结果表明:岩土体中过余温度在桩壁处最大,随离桩壁距离的增加而呈指数衰减,随运行时间的增加而增大;土壤表面空气温度仅影响离土壤表面较近区域的温度分布且对岩土体温度分布的影响随时间的增加而增大;随着运行时间的增加,桩底岩土体过余温度受到桩底竖向传热的影响也在增大。对比四种热源解析模型(ILS、FLS、ICS、SCS)与三维数值模型的计算结果,长时间作用下数值模型的计算结果和解析解趋势基本一致,验证了所建数值模型的正确性。(2)建立了恒定进口温度(TPT)工况下能源桩三维传热数值模型,分别研究了运行时长、桩长、桩径、进口水温、管内流体流速、支管间距、桩周岩土体、桩身回填材料、埋管数量和埋管形式对能源桩换热性能的影响。结果表明:能源桩每延米换热功率短时间内波动较大,但随运行时间的延长而趋于稳定;能源桩每延米换热功率与桩长成反比,与桩径成正比,与进口水温成正比,与管内流体流速成正比,与支管间距成正比;导热系数越大的岩土体和回填料中的能源桩每延米换热功率越大;单U、双U和三U型埋管能源桩中双U型能源桩的每延米换热功率最大,而三U型能源桩的每延米换热功率最小;单U型、W型、螺旋型埋管能源桩中W型埋管能源桩的每延米换热功率最大,螺旋型埋管次之,单U型埋管能源桩每延米换热功率最小。(3)根据工程中群桩埋管换热器状况,采用叠加原理计算群桩埋管的桩壁温度,定义了桩基埋管换热器的热响应半径为其他桩引起的过余温度影响系数?5%时相邻桩中心线之间的垂直距离。在大量计算分析的基础上,采用最小二乘法拟合出单工况荷载作用下桩基埋管换热器热响应半径计算公式。计算结果表明:对于单桩、单排桩、双排桩和多排桩布置情况下,本文拟合公式的计算结果与无限长线热源模型解析解之间最大相对误差分别为4.62%、4.45%、3.77%、3.32%,表明该方法具有良好的计算精度,符合工程要求。(4)针对实际能源桩系统运行时每延米换热功率是时间的函数,建立了动态负荷作用下能源桩三维传热数值模型,分析了不同荷载分布形式、峰值负荷、运行时间以及全生命周期对能源桩热响应半径的影响。结果表明:荷载分布形式以及峰值负荷的大小只影响岩土体中过余温度及其梯度,岩土体的热扩散系数及运行时间影响温度传递区域,全生命周期内冷热负荷的总量可以相互抵消,最大热响应半径计算可按单工况荷载作用下热响应半径计算方法。(5)根据单桩、单排桩、双排桩和多排桩布置方式,绘制了不同桩径、不同岩土体热扩散系数下能源桩热响应半径随时间的变化关系,为工程应用提供了便利。
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