能源桩全生命周期热响应半径简化计算方法

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,定义能源桩埋管换热器的热响应半径为周围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能源桩埋管换热器热响应半径计算公式;考虑到实际能源桩工程系统运行时每延米换热功率是关于时间的函数,建立动态负荷作用下能源桩三维传热数值模型,分析不同荷载分布形式、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。研究结果表明:在单桩、单排桩、双排桩和多排桩布置状况下,本文拟合公式的热响应半径计算结果与无限长线热源模型解析解之间的最大相对误差分别为4.62%,4.45%,3.77%和3.32%,说明该方法具有较高的计算精度,符合工程要求;荷载分布形式以及峰值负荷仅影响桩周岩土体中过余温度及其梯度,桩周岩土体热扩散系数及运行时间影响温度传递范围;根据工程中最常见的多排桩布置方式,得到不同桩径和不同岩土体热扩散系数条件下能源桩热响应半径随时间的变化关系,可为工程应用提供参考。

竖直埋管换热器热响应半径计算方法

随着能源压力的日益增大,世界各国都十分重视可再生能源的利用与开发,地源热泵技术作为一种清洁、高效的可再生能源,近年得到了较快的发展。该文利用无限长线热源传热计算模型,讨论了介质内过余温度场的分布特性。结果表明:介质内温度响应在孔壁处最大,随离孔壁距离的增加呈指数衰减,随时间的增加而增大;热传播区域随时间的增加而增大,随介质的热扩散系数的增加而增大。针对工程中群埋管换热器情况,利用叠加原理计算群埋管的孔壁温度,定义换热器的热响应半径为其他钻孔引起的过余温度影响系数≤5%时相邻钻孔中心线之间的垂直距离。在大量计算分析基础上,提出了竖直埋管换热器热响应半径计算方法。计算结果表明该文方法具有较好的计算精度,竖直埋管换热器的热响应半径随岩土热扩散系数增大而增大,随持续运行时间增加而增大,随钻孔排数增加而增大,随着钻孔孔径增大而增大;钻孔布置方式不同对钻孔热响应半径的影响较明显,相同布置方式下钻孔直径对其热响应半径的影响较小。针对工程中常见的115和135 mm 2种孔径,绘制了不同岩土介质下钻孔单排、双排和三排以上布置时热响应半径-运行时间的关系曲线。工程算例表明该文方法简单方便,为工程设计提供了便利。

竖直埋管换热器热响应半径简化计算方法

基于半无限空间均匀介质线热源传热模型,在大量数值计算分析基础上,提出竖直埋管换热器热响应半径的简化计算方法。计算方法考虑了土壤热物性、系统运行时间和钻孔布置方式等因素。计算结果表明,对于钻孔单排、双排和多排布置情况下,本文方法的计算结果与理论解之间最大相对误差分别为3.51%、2.96%和2.76%,满足工程要求。针对实际地源热泵系统运行时常根据需要采用昼夜和季节间歇运行工况的情况,给出系统运行时间的计算方法。为便于工程应用,分别计算单排、双排和多排(三排以上)钻孔布置方式下不同岩土介质竖直埋管换热器热响应半径随时间的变化曲线,绘制出计算图表,为工程应用提供理论依据和方法。

考虑桩土差异的能源桩传热模型及其热响应半径计算

为解决能源桩传热分析中一般将桩土视为相同介质而引起误差的问题,建立一种可考虑桩体与土体之间热物性差异的U型埋管能源桩非稳态传热模型,将其与线热源模型进行对比,验证该模型的准确性。在此基础上,通过级数展开得到近似简化的能源桩热响应半径表达式。最后,对单位桩长换热量、桩体的热扩散系数、桩径以及土体类型进行分析,利用“储热比”评价上述参数对能源桩传热过程的影响。结果表明:该模型较线热源模型可更精准地描述能源桩传热过程,可有效避免传热初期低估桩壁过余温度以及传热稳定期高估桩体温度的问题;在典型的能源桩运行周期内,所提出的热响应半径计算方法误差在0.1℃以内,符合工程要求;能源桩传热过程中,土体的储热比随桩体热容、桩土间热扩散系数相对差异的减小而增大;桩壁过余温度及土体储热比均随桩径的增大而减小,随着传热时间的增加,不同桩径对应的桩壁过余温度差逐渐加大,土体储热比差值逐渐减小;相同换热功率作用下能源桩桩壁过余温度的变化率几乎不随传热时间增长而变化;传热90 d后,桩径对能源桩传热过程中能量传递分布影响不大。