文摘
在过去的30年里,由于内置的优点,节能、污染控制和可持续性,能量桩系统在世界各地迅速发展。许多学者做了大量研究参数的优化、热交换效率和structure-soil响应。演化GSHP系统的研究也在深矿井和啤酒收集使用高温隧道衬砌表面是习得的。目前,大多数研究人员正在讨论加热或冷却的地热集合,和丰饶的,取得了显著的研究成果。这是一个小说试图能源桩应用于岩土工程,并在工程实践中取得了较好的效果在中国北部。中国北方的面积是一个典型的季节性冰冻地区:夏季高温和寒冷的天气,冬天积雪将导致巨大的挑战和资源消耗maintaince公路隧道,人行道上,和其他岩土工程设施。本文采取的例子使用地热换热器雪融化,使用能源桩的新奇的想法,防止在夏天和冬天裂缝的路面,并保证冻裂的安全隧道衬砌进行了讨论。同时,通过仿真研究,我们提出一个埋管具有良好的传热uniformity-spiral埋管形式,已更好的工程适用性。这向我们表明,能源桩在岩土工程中的应用将提供岩土工程问题的解决方案,这将有一个辉煌的未来。
1。介绍
在全球能源危机的背景下,能源桩是一种绿色和可持续的能源利用率,或能源问题的一个解决方案。目前,大量的学者们进行科学研究能源桩,形成了大量的研究成果。
1.1。能量桩的发展
目前,煤炭、石油、天然气和其他不可再生能源形式快速消耗,能源危机已经成为一个世界性的问题。由于不合理的能源结构,这个问题在中国更加严重。与此同时,为了实现社会可持续发展,和谐发展在能源开发、环境保护和生态平衡是必需的。到目前为止,清洁能源系统和节能系统正在成为世界能源发展战略的方向。每个人都知道,与空气温度、土壤温度更稳定,在北京与深度和土壤温度的变化区域如图1。可以看到,当土壤温度在6米,每月的土壤温度色散很大。当土壤深度超过6米,土壤的月度温度往往是接近18°C。在1980年代,考虑到稳定的土壤温度特性,岩土工程师在奥地利和瑞士创造性地利用建筑基础(混凝土桩(1],CFG桩[2),和地下隔膜(3- - - - - -5]),热交换器,处理土壤基本组件和主机之间热量交换。这个新的岩土结构,可以实现的功能热夏季和冬季之间的互补,是能源桩系统。这是由于更好的热传导性能的混凝土和大换热表面的基础结构,能源桩热交换效率比传统的地热换热器。研究结果表明,能源桩比空调系统可以节省30%以上的能量系统。同时,换热器管由桩基础紧密包围,可以保证稳定性和耐用性,和能源桩成本也远低于传统的地热交换系统。由于内置的优势,世界各地的能源桩系统取得了快速发展。
1.2。能量桩系统的研究现状
为了提高热交换效率,许多学者做了大量研究参数的优化。Bozis等人的影响评估设计参数对传热效率和发达的方法比较估计能量场铸桩的设计方案6]。也免不了等人提出了一个有限cylinder-source模型模拟桩热交换器的能量和研究蓄热器和垂直温度变化的影响(7]。月亮和崔对比地分析了加热土壤源热泵系统的性能特点与能源桩和能源板(8]。此外,也有许多其他学者做了参数的优化,提高热交换效率(9- - - - - -12]。与此同时,许多学者已经研究了热性能不同的线圈类型,和研究成果都列在表中1。
如表所示1,最新的研究表明,螺旋线圈最大换热表面的流体管的最佳类型的热交换器能量场铸桩。热效率分析结果,螺旋线圈类型有最好的加热和冷却性能,占近150%热效率比双U型(25]。
通常,混凝土能源桩系统由交换液、金属管道、混凝土、土壤和主机,和构造图展示在图2(27]。很容易知道热交换介质的热参数(主要是混凝土和土壤)将热效率的重要影响因子。所以,许多学者开始研究回填材料具有高的热参数代替较低的土壤热参数。Delaleux等人采用了bentonite-graphite复合材料作为回填材料提高地热井下换热器性能(28]。Coccia等人认为城市固体垃圾填埋场作为GSHP潜在热源(地源热泵热泵)[29日]。Indacoechea-Vega等人分析了不同注浆材料的不同的行为(bentonite-based水泥浆和水泥基水泥浆)GSHP,通过对比进行导热,水/固体比率,渗透率、机械强度等测试(30.]。Ocłoń等人的散热过程模拟地下电力电缆系统位于热回填和埋在一个多层土壤(31日]。李等人研究了u形管换热器的传热性能与不同回填材料(shape-stabilized相变材料和碎石混凝土)(32]。达到提高热交换效率,学者们讨论了参数的优化,类型的热交换器能量场铸桩,和高的回填材料热参数。一系列的成熟和应用成果。
能量桩,它不仅是一种换热系统,也是一种基础结构,所以它应该满足热量交换和支持的双重要求。研究不同力学性质的循环作用下的桩冷却和加热是必要的。Suryatriyastuti等人研究了能源桩基础的温度引起的机械行为33]。公园等人的热响应和性能评估precast-high强度混凝土能源桩通过田间试验和数值模拟的结果34]。除此之外,还有丰富的研究结构响应(桩土35- - - - - -44]。集团的能源桩,许多国家的学者和专业人士也做了相应的研究多个交互(45- - - - - -47)和机械响应(48- - - - - -51]。通过研究上述引用,丰富的和重大成就的研究能源桩系统实现,它已广泛应用于绿色节能建筑在中国,欧洲国家,加拿大,日本和其他国家。
2。进化GSHP系统用岩土工程结构
2.1。从煤矿中提取地热
随着开采深度的发展,高温问题变得越来越严重。在中国,工作面临的温度超过700开采深度大多大于35°C,最高温度接近50°C,深的典型岩石的温度我的表中列出2。
很容易知道,高温下的工作环境不仅会影响主岩的力学性质也对工人的身体健康造成伤害。高温环境会减少他们的注意力和反应能力;有时,这些影响可能导致真正的事故。根据调查数据,前苏联和德国,劳动生产率会下降6%∼8%当工作温度1°C的限制(52]。调查数据的基础上7矿山在北海道,日本,结果表明,事故发生率在工作面37°C的2.13倍,在30°C (53]。所以它是非常重要的高温度控制和冷却技术的研究。和许多学者做了一些研究如何深矿井热降温。他等人采用了高温交换机械系统(褶)冷却高温和控制热危害深煤矿(54]。Plessis)等人分析了变速驱动器在南非矿冷却系统有效的节约能源,发现每年6938148美元的成本节约和有限公司2减排132吨是可能的(55),他们进一步研究变量的开发和集成模拟水流深矿井降温系统节能战略201556]。Apel等人模拟热绝缘的影响喷射混凝土的能耗在地下矿山通风和冷却系统(57]。陈等人提出了一个拼合式蒸汽压缩冰箱热危害控制在深矿井58]。与研究的发展和改善热危害在深矿井,一些人意识到高温也是一个能量源,也可以利用。郭等人利用褶技术来控制热伤害嘉禾县煤矿(湖南省)和提取深层地热能来取代地面锅炉取暖(59]。Ghoreishi-Madiseh和Abbasy地热开采的数值和实验研究回填矿井采场(60]。此外,拉莫斯等人讨论使用废弃的矿井地热热回收的可行性[61年]。郭等人提出了地热循环系统并行,在收集到的热量可以用来为建筑提供热量和国内热水(62年]。从煤矿中提取地热的示意图如图3。由循环系统内的换热液循环,充分接触周围的高温岩石和土壤,并提取热量为地面建筑。
2.2。从隧道地热集合(能源隧道)
提取热量从我的是深层地热资源的利用率、浅层地热资源利用率,研究人员注意到隧道。Mimouni和Laloui估计换热器的地热潜力随挖随填法隧道锚,和数值模拟结果表明,可抽出的热量从地面通过锚范围从0.4到0.8、妇女每年每公里的隧道63年]。·巴拉等人讨论了能源的应用隧道和城市环境调查的可能性,热激活的新地铁的地下建筑部分都灵1号线(意大利)来加热和冷却邻近建筑物(64年]。李等人介绍了纺织品使用地热能发展隧道和能量进行了试验台的六个试点纺织与各种配置模块在一个废弃的铁路隧道在韩国65年]。Buhmann等人总结了德国可再生能源概念隧道项目的经验(66年]。洛佩兹等人对能源消耗和可持续发展道路隧道(67年]。典型的隧道衬砌是装备地面热交换器如图4。通过管道内壁表面上埋隧道表面热是热收集管收集实现地热能源的高效利用。
3所示。地热能资源在中国北方
中国有丰富的地热资源占全球地热能源储备总量的8% (68年]。地热资源的分布在中国咨询如图5。
如图5地热资源,主要分布在中国北方,包括松辽盆地、二连盆地、北盆地、鄂尔多斯盆地、柴达木盆地、塔里木盆地。浅层地热资源,可以利用能源桩,也非常丰富。根据浅深度数据(200米)内由中国地质调查局、浅层地热资源评价的16个省份在中国北方(执行70年,71年]。浅层地热能数据表列出在中国北方3。容易学习,浅层地热资源在中国北方省份计算(16) ,等于37.52亿吨标准煤。考虑到可用的浅层地热资源,价值比 ,等于1.45亿吨标准煤。
4所示。能量桩用于岩土工程
解决岩土工程问题时,传统的工程技术措施有高污染和高能源消耗的特点。的背景下碳排放峰值,碳中和和绿色工业革命,巨大的绿色和清洁地热能源储备,和伟大的世界上能源桩技术的发展,能源桩一直是中国北方的大力推广和应用。结合中国北方季节性冰冻地区的地理特征,特定的应用程序已经开发形式,如雪融化和除冰,实现宽温度范围内的沥青混凝土路面,预防和控制冻胀和冻裂的隧道进口和出口衬里。
在中国北方,有一个巨大的距离冬天和夏天之间的空气温度;四季的温度的日变化在北京区域如图6。根据Koppen分类,中国北方的气候类型主要是Dwb(寒冷干燥的冬天,温暖的夏天)和Bsk(干旱草原、冷)。在过去的30年里,中国北方的气候类型显著改变(72年- - - - - -74年),这是很有价值的利用地热能。
如图6,北京地区在中国是典型的季节性冰冻地区,冬天的最低气温在哪里−15°C,夏季最高温度可以达到超过35°C,寒冷的天气和积雪在冬季和夏季的高温将导致巨大的挑战和资源消耗的maintaince公路隧道、人行道等岩土工程设施。
4.1。GSHP系统用于融雪
在中国北方,连续低温可能带来几个月的积雪;通常,路面结冰。这冰雪积累将导致巨大的隐患车辆安全的运动。现在,冰雪融化,许多学者提出的方法。所有常用的方法可以分为化学融雪方法和物理雪融化的方法。化学方法使用盐储备总量(75年),氯化钠(76年),和其他化学品融化的冰雪路面;然而,化学物质通常会对周围环境产生负面影响,这是车辆和路边结构腐蚀。物理方法是利用自然热或生成的热量利用导电沥青太阳能集热器(77年],碳纤维格栅[78年)、铜盘(79年),加热电影(80年),电加热管(81年,82年),把积累的雪和冰。虽然上面介绍的方法可以有效地融化的雪,低效率或巨大的电能消费总是限制了其广泛应用。随着GSHP系统的发展,一些学者开始研究其实用性在人行道上的积雪融化。锅等人总结回顾液体循环加热的能源采集沥青路面和雪融化83年]。Yildirim和Hepbasli GSHP雪融化的性能分析系统(84年]。徐和褐色模拟路面积雪融化系统利用低温加热液体(85年]。汉和Yu地热换热器的可行性讨论pile-based桥面雪融化系统[86年]。王等人进行了热分析和优化的冰雪融化系统使用地热能超长柔性热管(87年]。
4.2。保证路面安全使用能源桩
沥青路面是一种温度敏感材料;它会有不同的力学性能在不同外部环境温度。在中国北部的一些地区,由于沥青的吸热性能,路面的表面温度可以达到50°C在夏天,但这个值只是冬天−15°C,和温差可达到65°C。研究表明,动态模量将减少从12000 MPa - 100 MPa迫于−0.01频率,当环境温度上升20°C到54°C (88年),可以看到在图7。之间的矛盾的问题因此,跟踪在夏季和冬季路面沥青裂缝尤为严重,如图8和9,分别。
为了解决上述矛盾的问题,传统的解决方法是努力发展宽温度范围内沥青材料(89年- - - - - -92年]。虽然很多工作已经完成,大部分研究能够解决低温裂缝(93年)和高温跟踪(94年分别)很好。真的很难解决这些矛盾的统一问题。面对这个瓶颈,另一个可以探索新方法。从,GSHP系统用于融雪的例子,并全面考虑成熟和实用技术,提高了锅炉的热效率能源桩和丰富的浅层地热资源在中国北方地区,可以实现能源挤进路基结构,解决季节性温度引起矛盾的问题在人行道上。能量桩路基的工作原理图如图10。循环液体的温度增加通过垂直螺线管,然后流经水平埋管热路面,以提高路面温度和融化的雪路区域。
如图10,通过使用桩在复合道路基础上,螺旋线圈最大换热表面的流体管所选类型的热交换器能量场铸桩。和利用良好的热性能和保护层,multi-U类型的管道被安装在混凝土路基。沥青材料的动态模量(如图7)有很强的相关性与环境温度。和土壤温度变化规律(如图1)表明,土壤温度稳定在18°C下超过6米深度。与利用现有桩在路基,能量桩系统可以安装。如果能源桩系统可以改变温度差异的30%,路面温度将约40°C在夏季和冬季−2°C。因此,在这种情况下,大多数现有的沥青材料可以满足温度要求,这也意味着能源桩系统可以解决矛盾问题的跟踪在夏天和冬天裂缝路面。
4.3。防止冻裂渗流引起的使用能源桩
如承德地区在中国北方,在山区有丰富的地下水,低温会结冰表面在冬天开放,周围的地下水和衬砌隧道出口和入口处将遭受冻胀力不断补给地下水。随着时间的流逝,很多隧道出口和入口处的衬里面临漏水问题。更严重的问题是,迅速泄漏的水将冻结为冰。一个大冰块将挂在屋顶和路面和积累,分别(如图11)。这将是一个巨大的潜在的安全危害交通安全。
(一)
(b)
同时,使用能源桩系统收集的热量从地面加热隧道的衬砌两端,冻胀现象可以被避免。然后,挂冰和积累的问题将不存在。这个系统的反向利用能源通道,如图4:热火集合结构改变散热器的结构,原理图如图12。
(一)
(b)
如图12在隧道衬砌,通过使用成堆,螺旋线圈最大换热表面的流体管所选类型的热交换器能量场铸桩。利用良好的热性能,管道与multi-U类型是安装在隧道衬砌混凝土;这些multi-U类型管道可以取代钢混凝土隧道衬砌。土壤温度变化规律(如图1)表明,土壤温度稳定在18°C下超过6米深度。如果能源桩系统可以保持温度高于0°C,冻裂问题引起的渗流可以避免。
4.4。仿真研究埋管形式
通常,我们采用埋管形式的几个形状。然而,在工程实践中,我们发现几个形状埋管道的传热均匀性很差。当管间距大,管道之间的中心温度很低。当它应用于道路积雪融化和除冰,它会导致冰雪融化不均匀;当管间距很小,埋管附近的温度高,造成资源的浪费。考虑上述因素后,螺旋埋管和锯齿形埋管形式旨在讨论更好的传热效果。固体传热和管传热模块COMSOL用于模拟,结果如图所示13。结果表明,螺旋埋管传热具有更好的一致性和更好的工程适用性与锯齿形埋管。
(一)
(b)
(c)
(d)
5。结论和讨论
在最近30年里,大量的学者进行了广泛、深入地研究桩系统的能量。通过实验研究和数值模拟,从参数优化和传热效率structure-soil回应,他们不断促进能源桩的应用系统从理论到工程实践。
土壤源热泵系统的不断发展,研究人员引入到岩土工程建筑节能领域的应用它来深矿井地热收集和隧道衬砌表面热量收集,它扩大了利用土壤源热泵系统形式的。
中国北方地区的浅层地热资源丰富。作为一个典型的季节性冻土地区,它是高的在夏季和寒冷的冬天。土壤源热泵系统的应用在岩土工程有明显的推广和应用价值。因此,采取的例子使用地热换热器雪融化,使用能源桩的新奇的想法,防止在夏天和冬天裂缝的路面和保证冻裂的安全隧道衬砌进行了讨论,开发实现能源桩到岩土工程。通过仿真研究,与锯齿形埋管相比,发现螺旋埋管的布置形式有更好的传热均匀性和工程适用性。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作受到了国家重点实验室开放基金的建筑安全与建筑环境(没有。BSBE2015-06)和联合研究项目和北京科技大学国立台北科技大学(没有。TW201703)。