地源热泵土壤换热器回填料的选择分析

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dvvicky
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要:地源热泵做为利用可再生能源的一种可持续发展的绿色空调,在国内已经得到了普及,地源热泵地埋管回填料的选择是影响其能源利用效率的一项重要因素。通过分析,选择回填料的热阻和比热对系统热交换效率的影响是关键因素,不同项目根据当地的地址条件应加以合理选择。
  关键词:地源热泵 回填料 导热系数 热阻 比热
  
  1引言
   土壤、水体是一个巨大的太阳能集热器,水地源热泵是利用了地球本体所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的冷暖空调系统,被认为是一种可持续发展的“绿色空调”。在建筑中规模化利用可再生能源是建筑节能、合理利用能源和实现建筑可持续发展的共同要求。夏热冬冷地区的空调用能适宜采用热泵,而地源热泵不但因为从源上要优于空气源热泵而具有更高效率,且属于清洁环保的的可再生能源。地源热泵解决了夏热冬冷地区冬季热源贫乏的问题,及锅炉污染问题。目前地源热泵已经成为可再生能源建筑利用的绝对主力,进入普及阶段。
  2地源热泵回填料的选用
  2.1回填料的热阻
   回填料是用于填充地下换热器钻孔与地层之间的材料,地埋管换热器钻孔埋管后回填是地源热泵工程的重要环节,见图1。回填料的选择和施工对地下岩土导热系数有重要影响[1] [2]。从热阻分 析来看,回填料的热阻在土壤换热器未运行时占到约20%比重,S.P.Kavanaugh[3]研究表明,地下岩土导热系数10%的偏差会造成地下埋管换热器长度(或钻孔深度)4.5~5.8%的偏差,直接影响地埋管换热器性能及系统的运行费用与初投资。根据文献[4],地埋管换热器中当回填料导热系数小于土壤导热系数时,土壤当量导热系数随回填料导热系数的减小呈指数规律减小。当回填料导热系数大于土壤导热系数时,土壤当量导热系数几乎不再变化;设计或施工过程中选择回填料的导热系数至少不得低于土壤导热系数。
  
  
   图1
  2.2回填料的比热
  土壤的当量导热系数随着回填土比热的增 大而线性减小,比热是单位质量物质的热容量,比热越大,对热的容量越大,热惯性越大,对土壤和冷却介质之间传热的阻滞作用越大。从文献[5]可知,回填土比热与钻孔热阻有很强的正相关性,即回填土比热越大,相当于钻孔热阻越大,反之,回填土比热越小,钻孔热阻越小。在其它条件相同的情况下,当回填土比热范围从620J/(kg˙K)增大到3620 J/(kg˙K)时,土壤当量导热系数减小7~8%;实际TRT测试和工程施工中测试中,应尽量减小回填料比热。
  
  2.3回填料的选择
   实际上,回填料的热物性及其填充的密实度和保水性对土壤换热器的长期传热性能共同产生影响,因此回填料的配比要同时考虑满足这几方面的要求。在非饱和地层条件下,埋管与钻孔中的回填料及周围土壤的传热以导热为主,选取回填料时侧重在导热系数以及密实性方面,保证回填料的导热系数不低于钻孔周围土壤。在饱和地层条件下,含水层的对流性可以提高埋管的换热性能,选取回填料时还应考虑透水性。
   选择高导热系数是选则回填材料的第一因素,但是还要考虑材料的可塑性、空隙比、含水率等因素。水在4℃时的导热系数为0.58W/m.K,远低于矿物质的导热系数,可以认为增加含水量会降低回填材料的导热系数。但是实际上回填材料不可能做到密实度100%,中间的很好多孔隙,孔隙度的大小主要与颗粒度的大小有关,如沙土的孔隙度较大。因此,在保证密度不变的情况下,即矿物质含量不变的情况下,增加回填材料的含水量,可以增加导热系数。国外有些地源热泵工程,在钻井端部加一塑料滴水管,间断地向填料中加水,就是為了增加填料中的水分,排除孔隙中的气体以增加其传热性能,因此要保证长期运行性能就必须注意回填材料的密实度和保水性。
  
  3地源热泵回填料的组合配比分析
  3.1回填料的影响因素分析
   由上述研究结论可知,增大回填料的导热系数可以增加土壤换热器的取放热量,但实际土壤换热器长期运行后土壤换热器外为非稳态,土壤热阻随运行时间延长而增大,回填料所占热阻的比重呈近似指数函数关系下降并趋于稳定,因此一味增大导热系数也是不经济和不必要的。理论上将钻孔过程中所排出的原浆进行回填,可以最经济的获得与地层较为一致的热物性。但是由于施工过程的影响, 这些排出的岩土体受到了扰动,已不具有与原地层参数相同的物性,因此单纯的原浆回填是难以保证较好的回填效果的,而一般采用原浆和膨润土、黄沙(或水泥)的配比混合物,见图2。
  
   图2
   现在广泛的采用回填料配比材料有:膨润土、黄沙、水泥等。膨润土具有很强的吸湿性,能吸附相当于自身体积8-20倍的水而膨胀至30倍,防止长期运行后孔隙度升高影响传热。膨润土和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性,在地下水较丰富地区有利于地下水的迁移,对换热非常有利,但是膨润土本身的导热系数较低,掺混膨润土后会降低回填料本身的热物性,根据文献[6],膨润土含量低于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而增大;膨润土含量高于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而减小;回填材料的稠度随膨润土含量的增加而减小。同时根据回填材料和易性的要求,使用含量为0.6~0.8%膨润土时回填材料导热和流动性能较好。但考虑到综合所有方面的需要,还不能确定最佳含量,还需要进一步研究。一般建议加入量不宜超过5%,一般每个100米深的直径110mm钻孔膨润土用量约在50Kg。水泥含有大量矿物成分,而黄沙的主要成分为SiO2,可以根据情况确定合适的惨混比例以增强回填料导热系数。根据文献[6],型号为PO42. 5 水泥导热系数稍大于PO32. 5的导热系数,这主要是因为PO42. 5强度较大,水泥砂浆比较密实,孔隙率较小,所以导热系数较大。回填材料导热系数在一定程度范围内随砂粒粒径的增大而增大,根据实验结果,推荐使用粒径为0.3~0.5mm左右的砂子,同时对于河砂、石英砂的选用应结合导热系数和成本的具体情况而定。回填料的导热系数会随着黄沙或水泥含量的增加而升高,但是增长速度超过60%时趋于平缓。回填料配比中的黄沙的颗粒不能过大以避免管道输送的流动性变差,水泥则主要用在桩基土壤换热器和岩石地质的情况,使用时需要与回填料混合均匀。
  
  3.2回填料的选用经济分析
   国标地源热泵系统工程技术规范规定回填料的导热系数不宜低于钻孔外土壤导热系数,这是希望管内回填料热阻不变成整个传热过程的瓶颈,这在土壤地质中是较为容易实现的,而对于岩石等高导热系数的地质则必须具备较高的水泥比重,这会带来一定经济性上的压力 ,而水泥配比较少的项目从运行的情况来看会造成土壤换热器更有利于夏季散热而不利于冬季取热,需要增加冬季辅助热源的配置比例。
  
  4回填料的施工工艺要求
   回填工艺也是至关重要的,回填料应在U型管安装完毕后立即进行,采用机械灌浆回填并保持回填过程连续稳定进行,见图3。灌浆管逐渐抽出使灌浆液自下而上灌注封孔,确保钻孔灌浆密实无空腔。这其中泥浆的浓度控制相当关键,泥浆浓度过高,会造成泥浆循环系统阻力增大,泥浆泵电机过载;泥浆浓度过低,钻孔内的砂石不易被带出,因此泥浆浓度需要根据实际情况仔细分析确定。灌浆完毕12 小时后进行检查,如沉淀未填满的钻孔则用中粗沙进行人工回填直至密实为止,缩孔部分用中粗沙补孔回填,要求密实。
  
   图3
   最后由于钻孔返浆时会带来泥浆的出涌,除部分用作回填复合料的基料外沉淀池内剩余泥浆应组织外运,如果遗留在地基以下,容易造成地基的下沉等问题。土壤换热器施工完毕泥浆池清空后还应采用质地坚硬的粘土等材料将沉淀池填满分层夯实,以确保基础垫层的施工和基础的稳定性。
  
  5结论
   地源热泵埋管回填料的选择要考虑到回填料的热阻和比热的综合影响,针对不同地区根据不同的地质条件应有不同的分析,在原浆的基础上加入适应当地地质条件的填料配比。原则上掺混后的回填料导热系数应不低于钻孔外土壤导热系数,并且回填料的比热越小越好。此外,回填料的选用还需考虑到项目的综合经济效益,应在经济性上作出合理选择。
  
  参考文献:
   [1] 高青,余传辉,马纯强,等.地下土壤导热系数确定中影
   响因素分析[J].太阳能学报,200829(5):581-585.
   [2] 赵进,王景刚.地源热泵土壤热物性测试与分析[J].河
   北工程大学学报:自然科学版,2010,27(1):58-60.
   [3] KAVANAUGH S P.Field test s for ground thermal properties methods and impact on ground-source heat pumps[J].ASHRAE Trans,1998,104(2):347-355.
   [4] 李隆键,鲍建镇,廖全,等.回填料对地埋管换热器性能的影响.土木建筑与环境工程,201133(5):90-94.
   [5] MARCOTTED,PASQUIER P.On the estimation of thermal resistance in borehole thermal conductivity test[J].Renewable Energy,2008(33):2407-2415.
   [6] 刘玉旺,于明志,王淑香,等.地埋管换热器回填材料导热系数实验研究.山东建筑大学学报,200924(5):449-453.
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
  
其他文献
【摘要】随着人们生活水平的不断提高,对能源需求越来越大,然而能源的不可再生性,要求我们必须采取节能措施, 减少能源消耗, 由于住宅建筑行业是能源的使用大户,所以设计现代节能住宅建筑成为我们的必然选择,本文分析了节能设计时要考虑的各种要素,导出了方法和重点,为完成现代住宅建筑节能设计打好基础。  【关键词】现代住宅 建筑设计 节能  1、引言  在我国,建筑能耗占总能耗的27%以上,每年还在以1个百
期刊
摘要:随着国民经济建设的快速发展,电气自动化的应用目前也越来越受到人们的广泛关注。本文主要是探讨了电气自动化控制设备的可靠性研究,希望这一观点能为广大同行提供一些帮助。  关键词:电气自动化;设备;研究  引言  随着电气自动化的提高,控制设备的可靠性问题就变得非常突出。控制设备的可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。在20 世紀70 年代,我国就建立了电子产品的可靠性与环境试验研究所,开始了可靠
期刊
摘要:地形测量在测绘工程中  本文阐述了地形测量和测绘技术相关概念及目前地形测量的测绘自动化技术,并探讨了测绘技术自动化技术的发展趋势。  關键词:地形测量;测绘技术;自动化;   1. 引言  地形测量学是研究测绘地形图及与其有关测绘工作的理论、方法的应用技术学科。地形测量是为城市、矿区以及各种工程提供不同比例尺的地形图,以满足城镇规划、矿山开采设计以及各种经济建设的需要。地形测绘是研究地球局部
期刊
摘 要:评标是招标采购工作的核心环节,评标方法的科学与否,直接关系到采购乃至企业经营的的成败。本文分析了我国电力设备采购招投标现状,针对电力设备采购评标中的现状与发展要求,将设备采购综合评价指标体系引入电力设备采购评标中,将电力企业评标立足点由短期成本向长期成本的转变,从而真正实现战略采购。  关键词:电力设备,采购评标,设备采购综合评价指标体系  评标是电力企业采购过程中不可缺少的一个环节,而设
期刊
摘要:本文作者结合多年工作经验,对弱电监控管理系统做了简要分析,供大家参考。  关键词:智能化;弱电监控;管理系统;    概述  本工程智能楼宇监控管理系统包括8大子系统:综合布线、安防监控、一卡通、应急广播、信息发布、数字会议、楼宇监控(BA)、楼宇管理和能耗监测,整个弱电监控管理系统设计广泛采用高新技术、创新集成、智能管控等先进适用技术,创造性地实现各系统主要特点。    综合布线系统  综
期刊
摘要: 能源耗损是制约经济发展的的重要因素之一,电气设计在建筑节能中尤为重要,本文结合笔者的工作经验对电气节能设计出现的问题进行了解析。  关键词: 变压器;电气节能; 系统设计; 节能控制; 负荷功率  1配电设计环节的节能因素分析  在建筑电气配电设计中,合理的选择变压器和正确进行功率因数补偿这两个问题,对减少电能损耗、达到节能增效的目的有着重要的作用。  1. 1根据负荷特点选择变压器  配
期刊
摘要:这些年,随着我国经济的快速发展,建筑行业同样进入一个蓬勃发展的阶段,建筑物的高度与跨度越来越大,尤其是在工业建筑中,高大模板的应用越来越广泛。鉴于高大模板施工的复杂性,如何控制高大模板的施工质量,已成为摆在施工企业面前的一道难题。本文对高大梁板结构中模板结构施工常出现的,一些问题,结合工程实践进行分析,并提出具体的解决办法和措施。  关键词:高大梁板;模本施工;控制;叠合变形值  前言:  
期刊
摘要:建筑设计的可持续发展方案, 目前是所有建筑师所面临迫切需要考虑的问题。因此, 文章研究了绿色建筑的设计理念,以供同行借鉴。  关键词:建筑;设计;研究  一、绿色建筑的内涵  人类发展带来的环境生存压力催生了可持续发展的理念, 可持续发展源于环境问题, 绿色建筑概念是对环境问题的回应。  1)保护环境: 是绿色建筑的目标与前提, 包括建筑物周边小环境、城市及自然的大环境的保护。  2)减少对
期刊
摘要:本文分析了城市道路线形设计的重要性,并通过实例,对城市道路平纵线形设计的原则与计算分析进行论述,以积累道路线形设计经验,完善道路线形设计。  关键词:城市道路;平面设计;纵断面设计  0前言  由于我国大部分地区处于山地和丘陵区,由于受地形状况的限制,道路线形设计的好坏显得非常重要。道路线形支配着整个道路的规划、设计、施工及以后的养护和营运。它直接影响着道路构造物设计、路基路面设计、排水设计
期刊
1.前言  南宁市白沙亭江立交工程位于南宁盆地邕江Ⅱ级阶地,场区内的岩土层主要为素填土、第四系河流冲积相的粘土、砂土、圆砾及第三系湖相沉积的泥岩。邕江Ⅱ级阶地堆积物是具有规律的上细下粗二元结构,上为粘土开始往下逐渐变为粉砂及圆砾层。本工程所处地带是邕江二级阶地堆积物发育较厚的地带,尤其圆砾层厚达9m,阶地堆积物总厚度达24m。  由于本工程位于南宁市快速环道,交通压力较大,尽快完成本工程对缓和快速
期刊