能源锚杆热泵埋管换热器换热性能研究

【摘要】随着人们生活水平的不断改善，夏季空调制冷和冬季采暖也符合越来越多人对更高生活品质的追求，就传统空调系统而言虽效果良好但需耗费大量电能，地热资源由于其蕴藏量巨大且清洁可再生特性慢慢走入人们视线并得到广泛关注。近年来用于基坑抗浮的永久性锚杆和倾斜支护锚杆的埋置深度和应用数量都在不断增加。本文所研究的课题即是将这种常年处于一定深度并保持恒温的地层中的锚杆与热泵U型埋地换热器结合起来，该技术创新式的结构改造不仅可实现地源热能交换的目的，还能达到抗浮或支护的目的。整个系统可与地下结构施工同时进行，不需要占用额外面积，清洁环保，且传热效果好。本文利用有限元分析软件Adina建立PE管-锚杆-土壤U型埋管三维非稳态温度场的传热模型进行数值模拟，并提取进出口截面的水温及地温数据，通过对数据进行处理分析来对比研究冬夏季工况下不同进水速度、进水温度、不同导热系数等条件下对单位孔深换热量及换热效率的影响。得到结论如下：（1）本次模拟换热系统流速在0.4m/s~1.0m/s时即可保证最大的热输出；夏季换热效果要优于冬季工况，有必要为土壤温度场的恢复提供一定的时间，土体导热系数对换热效率影响较大，在实际工程前要对土壤热特性参数详细测定；冬夏季工况权衡热泵机组效率基础之上，增大进水管水温与周围土壤温度场的温差，可有效提升换热效率；土体导热系数对换热影响很小，可在锚杆充分发挥性能的基础上选择合适的回填材料。（2）基于圆柱传热模型，通过理论分析，得到了能源锚杆周围土壤的解析解；建立不同孔径换热单元模型，研究各模型随着供热时间的延续锚杆孔壁以及锚孔周围土壤温度场的变化规律。考虑到计算误差得到传热半径为4m，为未来能源锚杆热泵埋管换热器的布置设计及可靠运行提供理论支持。（3）通过对传统U型换热管以及支护锚杆结构型式的深入研究，在传统锚杆的基础上设计出加长型地源热能锚杆结构型式，解决了由于锚杆长度较短，换热管内流体与土壤的交换流程有限，总换热量较小的缺陷。
【作者】韩建飞；
【导师】王贵和；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），地质工程，2014，硕士
【关键词】U型换热器；能源锚杆；数值建模；温度场；

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