地铁车站围护结构耦合式单U埋管系统换热研究.pdf
《地铁车站围护结构耦合式单U埋管系统换热研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《地铁车站围护结构耦合式单U埋管系统换热研究.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、工程实践地铁车站围护结构耦合式单U埋管系统换热研究余元波,夏继豪,刘俊,车轮飞,陈玉远(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉4 3 0 0 6 3)摘要:文章以地铁车站围护结构耦合式单U埋管系统为研究对象,建立车站连续墙、底板和顶板等部位的埋管换热模型。研究发现:车站连续墙、底板的埋管延米换热量均在4 0 50 W/m范围内,顶板的埋管延米换热量约为10 W/m;进水温度越高、原始地温越低,则埋管延米换热量越大;埋管循环水流速越大,出水温度越高;随着埋管间距的增加,埋管延米换热量呈现先增加后保持稳定状态。关键词:地铁车站;围护结构;耦合式埋管;换热模型;延米换热量中图分类号:U231+.4
2、1背景目前,全世界正面临能源和环境这两大问题,地源热泵系统具有可再生、储存量大、安全可靠等优点,在学校、医院、住宅等各类建筑中都得到应用。地源热泵系统主要分为地埋管地源热泵系统、地表水地源热泵系统和地下水地源热泵系统3 种形式,国内外对各类形式的地源热泵系统进行了大量研究。地埋管地源热泵系统属于封闭式系统,使水或其他介质在封闭回路中循环达到换热目的,可以克服其他2类系统的缺点,因此环境保护性和适用性较好。LiangPu对直列和交错的水平埋管布置进行比较评估,并研究了交错管道相对位移、弯曲次数、管间距和埋深对水平地埋式换热器热工性能的综合影响 2 。G.Liu提出了一种基于表面热源的毛细管换热器
3、一维简化板式传热计算基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 19 YFC0605105)第一作者:余元波,男,高级工程师方法,并分析了进水温度、衬砌导热系数、围岩导热系数和围岩热扩散率等因素对换热器性能的影响 3 。J.Gao通过对现场上海地源热泵系统进行传热性能试验,讨论了桩型、介质流量和入口温度对热工性能的影响,找出了最高效的能源桩基类型。C.Xia 通过对上海自然博物馆进行实地实验,研究了连续墙换热器的传热性能及其影响因素,包括换热器类型、水速、进水温度和运行方式 5。M.Sun研究了连续墙地热换热器的传热模型和设计方法,建立了连续墙换热器的二维传热模型,进一步提出其设计方法。地铁车
4、站作为城市区域中最常见的地下工程之一,其地下结构众多,具有作为地下换热结构的先天优势。因此,可考虑将地源热泵系统的地埋管与地铁车站的基坑围护墙、工程桩等地下结构进行耦合,使得地埋管与地下结构共同成为地下换热器,从而为上部建筑供热或供冷。该技术不仅可解决传统地埋管地源热泵系统初始成本高、占地面积大的缺点,还具有传热效果好、安全稳定、使用寿命长、不占用额外空间等优点。由于地源热泵系统尚未有在地铁车站应用的案例,因此很有必要开展地铁车站围护结构耦合式埋管系统的研究。2围护结构耦合埋管模型2.1模型建立对于地铁车站围护结构而言,围护结构耦合埋管系统中的换热埋管其毫米级别的尺寸过小,若使用计算流体动力学
5、(CFD)仿真软件模拟,需在围护结构模型中建立完整的换热埋管模型,这不仅会给初期的建模工作现代城市轨道交通9/2 0 2 3 MODERNURBANTRANSIT41工程实践地铁车站围护结构耦合式单U理管系统换热研究增加难度,还会在网格划分阶段使换热埋管附近的网格密度过高,从而大大增加模拟计算时间。多物理场直接耦合分析软件(COMSOLMultiphysics)可以将围护结构中的换热埋管简化为一条线,并将这条线定义为非等温管道流进行换热模拟,这样既简化了物理模型,又避免了网格局部过密过大以适当缩短模拟计算时间,便于后期模拟更多工况。本文选取某城市典型地铁车站为例,采用COMSOLMultiph
6、ysics建立车站的地下连续墙、底板和顶板的耦合式单U埋管模型进行换热研究。其中,地下连续墙较为特殊,在竖向方向上存在2 个换热过程差异较大的区域,因此将其分为顶部连续墙和底部连续墙2个部分(顶部连续墙为连续墙底板以上部分,其仅存在一面与土壤层接触换热;底部连续墙部为连续墙底板以下部分,其连续墙结构两侧均与土层接触换热,各部分围护结构耦合式埋管模型如图1所示。车站地下连续墙厚度按8 0 0 mm计算,土壤层部分理论上应是无限大区域,但是考虑到模型大小有限,只建立总厚度约10 m的土壤层(顶板以上土层除外)模型,并假设其与埋管能进行充分换热,初步研究单U埋管的换热性能,各部分的模型特征如表1所示
7、。2.2模型参数设定埋管在围护结构中与土壤层进行换热是一个非常复杂的过程,涉及到诸多不确定变量,因此为了简化理论分析及模拟计算,现做如下假定7:除了顶板上面覆盖的土壤层以外,其他围护结构接触土壤层的初始温度均为原始地温,不随深度变化而变化;各个材料的热物性参数不随温度变化发生变化;将埋管简化为沿着流动方向的一维非稳态流动,简化计算;忽略沿着埋管管长方向的传热,将三维传热模型简化为二维不稳定导热问题;围护结构与空气接触面一侧,为对流边界条件;不与墙体接触的土壤层边界假定为无限远,其温度不受埋管运行影响。根据假定,围护结构耦合埋管系统传热模型的具体设置如表2 所示。除了必要的模型尺寸以及土壤热物性
8、参数之外,还需设置埋管直径、循环水流速、进水温度、原始地温、运行时长、计算步长等各项参数才能进行换热模拟。其中,围护结构耦合埋管系统的换热性能主要受埋管间距、循环水流速、进水温度、原始地温等因素影响,因此本文将这些因素作为变量,通过变工况模拟方法探究各个因素对围护结构耦合埋管系统换热性能的影响规律。本文数值模拟中换热系统运行时间为7 2 h,计算步长为5min,埋管直径按2 0 mm计算,其余的参数设置如表3 所示。理管连续墙混凝土层细砂层连续墙混凝土层中砂层a顶部连续墙底板粗砂层强风化泥质粉砂层砾砂层c底板图1埋管间距为1m的各部分围护结构耦合埋管模型表1各部分单元块模型特征围护结构类型换热
9、接触面墙体顶部连续墙空气/土层双层靠近土层一侧0.2 m底部连续墙土层单层底板空气/土层单层靠近土层一侧0.2 m粗砂、砾砂、强风化泥质粉砂岩顶板空气/土层单层与土层相距0.2 m粗砂层砾砂层b底部连续墙粉质黏土层顶板d顶板埋管位置接触土层细砂、中砂墙体中部砾砂、强风化泥质粉砂岩粉质黏土42MMODERNURBANTRANSIT9/2023现代城市轨道交通地铁车站围护结构耦合式单U理管系统换热研究工程实践表2 传热模型边界条件设置边界区域子类进出口换热埋管壁传热定义壁面导热系数及管道厚度对称边界连续墙混凝土层侧面,热绝缘连续墙混凝土层对流边界定义室内传热系数、外部温度对称边界土壤层侧面,热绝缘
10、土壤层恒温边界温度恒定,不受埋管运行影响内部接触面热接触表3 模拟参数设置表模拟参数数值进水温度/33、3 4、3 5、3 6、3 7循环水流速/ms10.3、0.6、0.9、1.2、1.5埋管间距/m0.5、1.0、2.0、3.0、4.0原始地温/16、17、18、19、2 0埋管有效深度/m6.4、7.6、8.6、9.6、10.6注:表中带下划线数值为各模拟工况下的相对定量。3表耦合式埋管换热能力及影响因素分析3.1换热能力分析地铁车站顶板相对于地下连续墙和底板的埋深较浅,其上的土壤层存在一个较大的温度梯度,会对埋管的换热能力产生很大影响。根据对该地铁车站周围土壤层的地温测试汇总分析,得到
11、土壤层温度随深度的变化趋势如图2 所示。由图可知,在深度小于5m时,土壤层的温度梯度较大,基本呈线性衰减;在深度从5m变化为6 m时,土壤层温度呈较大衰减;在6 m及以下深度时土壤层温度已基本稳定在17 18 之间。因此,对地下连续墙和底板所接触的土壤层设置成不随深度-5-10/-15-20-25-30161820 22 24 262830323436温度/图2 土壤层温度随深度变化曲线图变化的恒定温度值是合理的,而顶板则需考虑实际温度明细梯度。定义速度,进水温度顶部连续墙、底部连续墙、底板和顶板的埋管系统在运行7 2 h后,各处埋管的延米换热量如图3 所示,顶部连续墙、底部连续墙、底板的埋管
12、延米换热量均在4 0 50 W/m之间,而顶板的埋管延米换热量只有10W/m左右。由此可以判断,顶板耦合埋管系统的换热能力相对较差,不适合作为耦合式换热结构,下面的研究只考虑顶部连续墙、底部连续墙和底板这3 类围护定义接触热阻结构耦合埋管系统。507M/鲁洋讲米亚403020100顶部连续墙底部连续墙围护结构图3 7不同围护结构内埋管延米换热量对比3.2换热影响因素分析3.2.1进水温度对延米换热量的影响不同进水温度下,分析顶部连续墙、底部连续墙及底板3 类围护结构耦合式单U埋管系统的换热量,运行72h后埋管的延米换热量如图4 所示,由图可知埋管系统的延米换热量均随着进水温度的增加而增加,且底
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 地铁 车站 围护结构 耦合 系统 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。