基于振动台试验的不同含石率土-石混合体边坡地震动响应差异性研究

针对土-石混合体边坡动力响应特性尚不明确的问题,基于相似原理设计开展了3组不同含石率土-石混合体边坡大型振动台试验,系统地对比分析了不同含石率土-石混合体边坡动力响应的差异。研究结果表明:土-石混合体边坡在地震作用下的加速度响应符合自由面效应,即边坡在近坡顶端处的加速度放大效应要明显强于坡体内,而不同含石率土-石混合体边坡在不同频率正弦波激振作用下的动力响应差异明显,这是因为不同含石率土-石混合体边坡结构的动力特性存在差异;地震作用下,模型边坡动土压力由边坡浅表层至坡体内部呈不断增大趋势,但由于坡体变形与损伤程度不同,不同含石率边坡整体的动土压力响应程度不同;且在地震波分级加载过程中,边坡不同部位处动土压力的突变可作为边坡产生动力破坏的依据;随着含石率的上升,地震作用下边坡整体的变形程度逐渐降低:20%含石率边坡表现为由浅层至深层的连续滑动,而40%与60%含石率的边坡变形则相对较小,40%含石率边坡仅表层岩土体发生滑移,60%含石率边坡仅浅表层土体发生剥落,含石率的提升对土-石混合体边坡起到了加固作用。

长沙市某区浅层地埋管岩土体热响应试验性能研究

长沙市某区为高新技术发展示范基地,能源冷热需求量大,该片区地质条件复杂,邻近少有地源热泵热响应测试数据,通过性能研究,揭露研究区地层以第四系覆盖层及元古界泥岩、砂岩、板岩为主,10~40 m存在上层少量上层滞水;通过线热源模型热响应试验,测试岩土体综合平均导热系数为1.78~1.95 W/(m·K),钻孔热阻值为0.18~0.23(m·K)/W,并与钻孔取芯和室内热物性测试进行对比,吻合度较好。考虑长沙地区气候特征,在不考虑大量钻孔换热过程中存在热干扰和长时间持续运行情况下,通过换热计算,夏季每延米换热量最大可达51~53 W/m,冬季每延米换热量最大取值为47~49 W/m。

EPC项目中地源热泵系统的设计优化与施工技术

浅层地热能是一种重要的新型能源,开发浅层地热能主要作用是为建筑物提供供暖制冷,目前利用浅层地热能作为冷、热源的地埋管地源热泵系统在工程中得到广泛应用。对芜湖某EPC公建项目地源热泵系统进行了研究,介绍了项目场地区域岩土热响应试验情况,根据相关规范要求进行了地埋管地源热泵系统的设计优化,阐述了地埋管地源热泵的施工技术。由岩土热响应试验得出芜湖地区适合做地源热泵系统,利用规范中热量平衡原理,优化了初步设计中地源热泵的数量和节点处理措施,缩短了施工工期并节省了工程造价,针对地源热泵施工过程中的技术难点提出应对措施,对工程实际具有参考意义。

中深层地埋管地源热泵系统优化配置研究

中深层地埋管地源热泵系统作为建筑热源,具有能效高、污染小等特点。本文针对中深层地埋管地源热泵系统的优化配置进行研究,基于建筑实际用能需求,利用中深层地埋管换热模型仿真结果,与实测数据进行“反算”拟合,得到地下岩土体综合热物性参数。进一步采用理论计算、动态仿真手段,进行不同运行策略下的中深层地埋管换热动态仿真计算,开展中深层地埋管地下岩土体温度变化、地埋管进口和出口温度数据分析,实现中深层地埋管地源热泵系统配置方案优化。在本文计算条件下,当中深层地埋管地源热泵系统承担项目设计热负荷时,需要配置65个2500m深的地埋管换热器;当充分发挥中深层地埋管地源热泵系统供热能力,承担最大恒定热负荷时,24个地埋管换热器即可满足建筑累计热负荷需求。因此,为兼顾系统初投资及运行性能,本文建议热源采用中深层地埋管地源热泵+辅助热源的复合式系统形式,由中深层地埋管地源热泵系统承担基础负荷,充分发挥系统供热能力,提高系统经济性。

砂土层占比对双U型地埋管换热器换热性能影响研究

以西安两处地源热泵项目为工程背景,基于恒热流线热源模型和斜率法,对双U型地埋管换热器(DUBTHE)开展现场岩土热响应试验(TRT),分析了砂土层占比、管径对DUBTHE换热性能的影响。结果表明:当砂层占比分别为16.71%,45.99%时,其岩土初始平均温度、综合导热系数分别为17.70℃,1.54 W/(m·K)和18.83℃,1.79 W/(m·K)|通过权重法计算的岩土综合导热系数是现场TRT测得的1.15~1.25倍;当砂层占比由16.71%增加到45.99%时,岩土初始平均温度和综合导热系数分别提高了6.38%和16.23%,并随着管径由25 mm增大到32 mm时,夏、冬季单位延米换热量分别提高了12.76%和35.61%|当砂层占比小于45%且地源热泵系统冷热负荷接近时,宜采用DN25 DUBTHE,当砂层占比大于45%且地源热泵系统热负荷大于冷负荷时,宜采用DN32 DUBTHE。

地质条件及埋管形式对地埋管换热器换热性能影响研究

利用北京市35个现场换热孔岩土热响应试验数据,分析了地质条件和埋管形式对地埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明地质条件对地埋管换热性能具有显著影响:地层初始平均温度每变化1℃,换热能力相差8%左右;基岩地层的地埋管换热能力平均比松散层高35%;换热孔处地下水流速从0.14 m/d增至0.91 m/d,Pe值从18增加至113,由于热对流换热作用加强,延米换热量提升13%。在相同地质条件下,套管式换热器冬季延米取热量比双U型换热器高约40%;换热深度从150 m增加至300 m时,双U型和套管式换热器延米取热量均略有升高。

寒区隧道地源热泵型供热系统岩土热响应试验

为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。通过开展寒区隧道地源热泵供热系统岩土热响应试验,研究热交换管管内循环介质的入口温度、流量和管间距对换热量的影响以及热交换对隧道围岩和衬砌温度场的影响。试验结果表明:管内循环介质的流量一定时,换热量随着入口温度的增加而呈线性增加;管内循环介质的入口温度一定时,换热量随着流量的增加而呈指数增加。增加流量可以提高热交换管内循环介质的换热能力,但却增加管内循环介质与管壁之间的阻力,建议热交换管管内循环介质流量不宜超过0.75 m3/h。热交换管间距为100和50 cm时,围岩温度场的影响深度分别约为75和100 cm。热交换管间距越小,围岩温度场的影响范围则越大,温度增量也越大。

岩土热物性测试影响因素的研究

研制了两种岩土热物性测试仪,介绍了线热源斜率法、双参数估计法和三维数值模型法3种测试热物性的方法。建立了一个三维数值模拟模型,分析了测试时间、计算开始与结束时间、比热容等因素对导热系数、热阻的影响。

模拟退火算法在岩土热物性参数确定中的应用

岩土的热物性是土壤源热泵系统设计的重要参数,需要在工程地点实施热响应试验才能确定。针对现场热响应试验中恒加热功率难以保证的实际情况提出了利用模拟退火算法确定变热流状况下热物性参数的新方法。该方法以竖直U形地埋管换热器的柱热源(CSM)模型为基础,引入格林函数加快了热响应试验系统模型确定换热器进出水温度的计算速度,利用RMSE分布图解决了传热反分析中参数识别的非适定问题,保障了模拟退火算法的有效实施。在结合具体算例实施热物性参数识别的过程中,变热流情况下模拟退火算法对应的退火温度降温速度快,确定的岩土热导率和容积比热容的相对误差分别为4.1%和1.3%,而且计算了地埋管换热器的有效热阻。研究结果可为确定岩土热物性参数和指导地埋管换热器系统设计提供参考。

基于现场热响应测试方法的地下岩土热物性分析

目前获取导热系数的主要方法是现场热响应试验,但该方法缺乏统一的技术标准,导致计算结果可比较性差,难以应用。笔者开展了不同热响应试验设备的原位热物性测试系列试验,分析了测试与数据处理方法对测试结果的影响,探讨了试验过程中需要注意的问题。结果显示：为减少试验误差,两次热响应试验测试的时间间隔不应少于10d;应尽量避免循环水与岩土介质以外的其他介质产生热量交换;对于恒热流热响应试验,导热系数值与舍弃时间（1.0~12.0h）成正相关关系;而对于定进回循环水温差的热响应试验,导热系数值与舍弃时间（0.0~12.0h）成负相关关系;舍弃时间大于12.0h时,导热系数变化趋于稳定。按统一标准舍弃前12.0h的测试数据进行导热系数计算,6家单位的导热系数计算值都在2.2~2.8W/（m·℃）范围内,测试结果合理可靠。

地源热泵岩土体导热系数确定方法的实例分析

以3个地源热泵工程为例,对用查表法确定的岩土体平均导热系数和现场岩土热响应试验确定的导热系数进行了比较,结果显示,两者相对误差小于10%。建议对于小型竖直地埋管地源热泵工程,利用查表法获得埋管深度范围内岩土体的平均导热系数;对于大、中型地埋管地源热泵项目,采用取芯钻探方法对地埋管岩土热响应试验孔进行施工,用查表法对现场热响应试验结果进行验证。

西安地区土壤源热泵地埋管换热的岩土影响因素区域分布

针对土壤源热泵地埋管换热的岩土影响因素，对浅层岩土进行影响因素区域分布研究。以西安市主城区为例，统计分析得到浅层岩土结构分布；应用Suffer模拟软件，对水位监测井的信息进行分析，得到潜水位深度分布；并选点进行多个岩土热响应试验，依据试验结果，分析该区域的浅层岩土热物性参数分布规律，并得到其温度分布。影响因素分布规律显示，该区域各地貌单元浅层岩土结构有明显不同；潜水位埋深一般为5～25m，但黄土塬潜水位较深，可达60m；黄土塬区域的综合导热系数明显小于其他地貌区域；研究区域地下深20～120ITI，平均温度分布值为16℃～18℃，温度梯度分布值为（1．5～3．9）×10-2℃／m，

《地源热泵系统工程技术规范》修订要点解读

介绍了规范的修订背景和修订内容的具体考虑。增加了是否需实施岩土热响应试验的判断依据、试验方法的选择,明确指出了应采用动态耦合计算的方法指导系统设计。

北方地区岩土导热系数及换热量的测试研究

岩土导热系数是地源热泵地埋管换热器的重要设计参数;测井单位深度换热量是地埋管换热器系统的设计依据。掌握工程区域岩土的热物性及换热性能,是保证地源热泵系统高效、稳定运行的关键。文章建立了现场测试岩土导热系数及换热量的方法,并结合沈阳浑南高新技术产业开发区某地源热泵工程,测试分析了岩土导热系数和测井单位深度换热量。结果表明,该区域的岩土具有较好的导热能力,适合采用地埋管地源热泵系统;在特殊地理条件下设计地源热泵系统方案前,应对拟建区域的地质条件进行全面勘探,以优选工程区域,为岩土热响应测试结果的可靠性提供保障。

现场岩土热响应测试及换热量的计算分析

获得可靠的岩土综合导热系数,为地源热泵地埋管换热器提供正确的设计参数。以沈阳某地源热泵工程为例,基于岩土热响应的原理,建立了现场岩土热响应测试的方法,计算分析了岩土导热系数和钻孔单位延米换热量。结果显示,岩土综合导热系数为2.23W/(m.K),与推荐的相似岩土导热系数比较显示,测试结果可靠;平均钻孔单位延米换热量为57.71W/m,岩土具有良好的导热能力。分析认为在特殊地理条件的地源热泵系统方案设计前,应对拟建区域的地质条件进行全面勘探,以优选工程区域;为减小土壤热失衡的隐患,建议采取冬夏两季均运行的策略。

模式搜索算法在地埋管换热器热阻确定中的应用

为了准确确定土壤源热泵系统地埋管换热器的热物性参数和热阻,该文以地埋管换热器线热源模型为基础,结合土壤的热响应试验,提出了一种应用模式搜索算法确定土壤综合导热系数和地埋管换热器热阻的方法。搜索算法实施时,热阻作为一个待定参数,不必考虑换热器的各项物理参数,降低了运算工作量。试验实测结果表明,应用模式搜索算法后该文试验条件下确定的土壤综合导热系数的相对误差为1.42%,热阻的相对误差为1.73%;通过与其他方法比较,模式搜索算法确定的参数的相对误差较小,算法精度较高,可靠性较高;该研究结果为土壤源热泵系统的设计与应用提供参考。

地埋管地源热泵岩土热响应试验相关技术全尺寸三维数值分析

结合试验数据,建立了地埋管地源热泵岩土热响应试验的全尺寸三维数值计算模型,并进行了试验验证。对岩土热响应试验中的相关技术问题进行了研究,结果表明,用放热或取热不同的方法进行热响应试验,其结果基本相同;舍去岩土热响应试验初始时刻的值对计算结果没有明显的改善;停止加热后,地埋管周围岩土的温度恢复主要集中在前2d。

地铁隧道围岩土体蓄放热特性各影响因素显著性研究

地铁区间隧道空气温度受围岩土体影响较大,而地铁区间隧道围岩土体温度分布又受许多因素的影响,为了更准确地得到围岩土体热库与传热的演化规律,需要了解各因素对传热的影响程度。本文采用CHAMPS-BES软件进行数值模拟,通过改变土体和空气温度对围岩传热影响的因素,利用正交试验法分析讨论各因素对围岩土体温度分布特性的影响程度和显著性,发现土壤导温系数对围岩土体热库峰值位置的影响为非常显著,当土壤导温系数为7.6×10^-7 m^2/℃时传热较快,连续运营20年热库厚度已超出了50 m的范围;在已有研究基础上,研究不同地区隧道围岩土体热库特性及蓄热量变化,得知地理位置越北,土体初始温度越低,对应的土体热库特性变化越显著,土体的年净蓄热量也越大,哈尔滨地区约为1.023×10^5 MJ,相当于列车散热量的1.8%,但整体上土体年净蓄热量随着运营年限的增大而逐渐减小。

分层土壤中竖直埋管换热器传热特性

基于移动有限长线热源理论,考虑土壤分层及存在渗流现象,建立了埋管传热解析模型。利用热响应试验验证了该模型的正确性。对比分层模型与均质模型所给出的埋管散热过程的土壤温度响应表明:埋管周围土壤沿轴向分层使其温度分布也呈现分层而非均匀的特点,各层土壤中钻孔壁处温度趋于稳定所需的时间及数值因各层物性的差异而不同。对整个埋管区土壤均质或分层但存在渗流作用以及部分土壤层存在渗流作用等3种情况进行了计算分析,发现:若整个分层土壤中存在渗流,而视土壤为均质并忽略渗流的影响,则对换热能效系数低估可达6.3%;埋管散热在各土壤层中的热作用距离因存在渗流与否偏差可达43%。可见,为了准确评估钻孔周围渗流作用下分层土壤中的温度分布特性,应利用分层模型计算各土壤层中的热作用距离,以最大值确定管间距,否则会导致管群布置时管间距选取偏小。

瞬态热流岩土热响应测试研究

在确定岩土热物性的恒热流热响应测试研究中,由于测试期间受电压波动及其他意外事故影响导致地埋管换热器在测试过程中放热强度随机波动或意外突变,出现变热流工况,使得与传统传热模型边界条件不匹配,采用传统数据处理方法得出的岩土热物性结果可靠性不佳。针对上述原因,在无限长线热源模型和无限长柱热源模型基础上,提出适合短时间步长模拟的加权平均地埋管传热模型,采用传热叠加原理结合3参数估计法处理变热流数据,确定出岩土导热系数、岩土容积比热及地埋管钻孔内热阻,分析线热源模型权重比例对测试结果的影响。研究结果表明:对于钻孔直径130mm的双U型地埋管换热器,最优线热源模型权重值为0.3,对应所得出的岩土热物性及钻孔热阻可靠性最佳,误差最小。