寒区隧道地源热泵供热系统及优化分析

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.系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和排水系统加热.在分析研究该系统传热机理的基础上,建立考虑热阻和热源的隧道取热段传热模型,利用叠加原理、格林函数法和拉普拉斯变换法相结合的方法获得其解析解.热交换管间距对热交换管换热量有显著影响,随着管间距的增加,换热量呈线性增加.热交换管换热量随隧道埋深的增加而呈线性增加,热交换管应布置在埋深深的部位.与热泵持续运行相比,间歇运行有利于土壤温度场的恢复,有助于提高热泵运行效率.

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。

寒区隧道地源热泵型供热系统取热段温度场解析

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。供热系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和排水系统加热。取热段位于隧道中部,获取围岩中的地热能。隧道取热段温度场由热交换管外围岩温度场和热交换管内流体温度场两部分组成。建立考虑衬砌结构和热源的隧道取热段热交换管外围岩传热模型,利用叠加原理、拉普拉斯变换和积分变换相结合的方法获得取热段温度场解析解。基于能量守恒原理建立热交换管内流体传热模型,根据热交换管外围岩温度场,利用迭代法计算热交换管的出口温度。采用反分析的方法确定试验段围岩的综合热物性参数,将理论解与现场试验数据对比分析,其精度满足工程要求。取热段温度场理论解为系统的设计提供理论指导。

隧道内地源热泵热交换管与隧道结构相互影响

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扎敦河隧道中.系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和保温水沟加热.热交换管以串联纵向的布置形式埋设在初衬和二衬之间.通过计算含热交换管承载截面面积和惯性矩的减小率,分析得到热交换管对隧道衬砌承载力的影响较小,可以忽略.隧道结构内包括锚杆、防水板和钢拱架,通过建立单因素对比计算模型,分析各构件对热交换管换热量的影响,研究表明:①锚杆对热交换管换热量产生的影响不明显,最大仅为2.3%;②运行前期,应充分考虑防水板对热交换管换热量的不利影响,但长期运行后,可忽略防水板的不利影响;③运行前期,钢拱架对热交换管换热量有显著的提升,但长期运行后,该影响趋于不明显.

寒区隧道地源热泵加热系统埋管间距优化分析

为预防寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速公路林场隧道中,用于对隧道洞口段衬砌和排水系统加热.采用有限元计算方法,首先通过对初始温度场的计算反演出岩体各项热物性参数,再以试验所得热交换管实际换热量作为模型中管壁的内边界条件进行热交换管的岩土热响应分析.计算结果显示,隧道内热交换管管壁温度及管间温度与现场试验结果能够很好地吻合,满足工程精度要求.利用验证后的有限元计算模型对热交换管间距进行优化,得到埋管最优间距为0.5～0.8m.

隧道内地源热泵热交换管布置优化与施工技术

寒区隧道地源热泵型防冻保暖系统由取热段、热泵和加热段三个部分组成。在Adam研究能源土工布热交换器中热交换管布置形式的基础上,考虑了寒区隧道热交换管的抗冻性,对热交换管布置形式进行了优化评估分析,得出串联横向布置形式是寒区隧道热交换管的最佳布置形式。对热交换管的布置位置进行了优化分析,包括轴向和环向两方面,得出热交换管的轴向最佳布置位置为每板二衬内,不宜跨板布置,环向最佳布置位置为高于环向预埋件。系统首次应用于内蒙古林场隧道,结合试验段开展进行了热交换管的施工关键技术、施工质量控制和施工后期保护的研究,为林场隧道顺利实施提供理论依据和技术支持,并为今后类似工程的施工提供宝贵的经验。

隧道地源热泵热交换管换热引起的温度应力研究

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扎敦河隧道研究中。系统由取热段、加热段、热泵和分集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和保温水沟加热。热交换管以串联纵向的布置形式埋设在初衬与二衬之间。系统运行时,热交换管换热引起周围衬砌温度场的变化,从而在衬砌内产生温度应力。根据扎敦河隧道实际大小,建立有限元分析模型,计算得到热交换管换热引起的温度和应力。研究结果表明:系统运行后,管周混凝土有明显的温度集中和应力集中,但影响范围小;运行期间,混凝土温度呈指数形式减小,并有一定的波动范围;温度应力以拉应力为主,并且径向温度应力小于环向温度应力;运行期间,径向温度应力变化率较小,而环向温度应力变化率较大,但长期运行后,环向温度应力趋于稳定。

寒区隧道地源热泵型供热系统运行能效分析

地源热泵型供热系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和保温水沟加热,解决寒区隧道冻害问题。文章以内蒙古博牙高速扎敦河隧道为例,开展了地源热泵型供热系统运行能效监测。研究结果表明:(1)隧道洞口所需的供热负荷变化较大,而隧道洞内取热负荷变化较小;(2)热泵机组控制温度越高,开机次数越多,开机运行时间也越长;(3)热泵机组的控制温度越高,机组运行的能效比越高;(4)一般情况下,夜间热泵机组的能效比会高于白天热泵机组的能效比,而隧道洞口加热段气温越低,热泵机组的能效比也会相应升高。