地下换热管土结构冻胀变形模拟

以地源热泵技术在农业节能领域中的应用为研究背景,针对地下换热管土结构冻胀变形问题开展数值模拟研究,基于孔隙增长率函数、冻土本构方程、含水量方程和相变传热理论建立数值模型,并结合试验验证该模型的有效性。利用模型对冻胀过程中岩土应力和管体变形特性进行分析,并考察管体降温速率（0.1、0.2、0.3℃/h）对上述2方面的影响。结果表明,岩土冻胀应力和管体变形程度均随冻结范围增大而增大,当冻结直径达到365 mm时,进水管流通面积减小约3.5%,出水管流通面积减小可超过4%,可见出水管的变形更为明显;冻结范围基本一致的情况下,换热管体缓慢降温可导致较大的岩土冻胀应力和出水管变形。     

桩基螺旋型地埋管换热器换热性能的数值模拟与验证

为了探讨不同因素对桩基螺旋型地埋管换热性能的影响,建立了桩基螺旋型地埋管换热器的传热数学模型,分析了桩基直径、桩基深度、螺旋管组数、土壤类型对桩基螺旋型地埋管换热量及土壤温度分布的影响,结果表明:增加桩基直径有利于改善桩基的蓄热能力、提高螺旋型埋管的换热性能,但是单位管长换热量会减小,因此,桩基直径不可无限制增加;桩基深度的增加有利于提高桩基螺旋型埋管换热器的换热量,而且对单位长度桩基的换热量影响很小,因此,可以通过增加桩基深度来提高换热量;同样条件下,黏土、砂土、砂岩中砂岩最有利于桩基换热器换热,土壤温度上升速率和幅度最低,而黏土换热效果最差,土壤温度上升速率最快;此外,螺旋管组数越多,换热器换热量越大,但是单位管长换热量会大幅下降。试验验证表明:所建桩基螺旋埋管模型预测出的换热量与土壤温度值与对应试验值吻合较好,其最大相对误差分别在9.7%与9.2%以内。     

不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定

为探明河套灌区不同地下水位条件下渠基冻胀的差异,了解地下水位变化对渠基土壤水分迁移和力学性能的影响,该文通过建立不同地下水位冻胀试验平台并结合原型渠道,分析了不同地下水位对铺设不同厚度聚苯板的基土冻胀的影响,阐述了冻胀率和截面弯矩沿渠坡的分布规律,提出了不同地下水位下聚苯板适宜铺设厚度的理论计算公式。试验得出,每降低1 cm地下水位,基土冻胀量减小0.15 cm。当地下水位降低0.5~1.0 m后,削减冻胀率为71%~83.8%。地下水位下降有效阻止或延缓了土壤毛细水的上升,降低了0~30 cm土层的土壤水分,有效阻止了冻结锋面水分的迁移,减小了土体中冰夹层的形成,从而降低了土体的冻胀变形。并且,渠道的冻胀破坏部位随着地下水位的不同而发生变化。该研究可为北方季节性冻土区骨干渠道保温防冻胀技术研究提供科学依据和技术支撑。     

冻结温度对植被混凝土生态基材冻胀特性的影响

针对高寒气候条件下,因工程扰动造成的众多岩石裸露边坡亟待生态修复的现状,选取植被混凝土这一典型人造复合生态基材为研究对象,研究了冻结温度变化对其冻胀特性的影响。结果表明,植被混凝土作为弹塑性材料,在试验设定的负温环境中均将产生冻胀现象,其冻胀历时随冻结温度的升高逐渐增大,而冻胀率随冻结温度的降低呈极为显著的线性减小趋势;同一冻结温度条件与冻胀变形稳定时,在植被混凝土中将形成近似稳定的温度场,且试样中的温度降低幅度随着植被混凝土与冷源距离的增大逐步减弱;冻结温度场将明显改变水分在植被混凝土内的分布状况,冻结温度越低越不利于试样中水分的自由迁移。     

灌淤冻土复合衬砌渠道保温防冻胀效果分析

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题，该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构，建立渠道基土水热力耦合数值模型，通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明：与无保温衬砌结构相比，阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%，最大迁移含水率分别减少8%和9%，最大冻胀量分别减少80%和81%，基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点，可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合，说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。     

土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。     

季节冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道冻胀机理试验

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。为了探明刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理,分析复合衬砌渠道的冻胀变形规律和冻胀过程中的水分变化规律,以及柔性复合土工膜的变形特征,该研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果,分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律,重点研究了冻融条件下渠基土壤的水分迁移规律,以及复合土工膜的变形特征和强度变化。结果显示:刚柔混合衬砌渠道的冻胀变形最大值位于渠底和阴坡1/3处,最大冻胀量为11.2和13.1 cm,衬砌结构向上隆起。冻结期,渠基土壤0~60 cm深度范围内含水率随深度增加而增大,60~120 cm深度范围内的含水率随深度增大而逐渐减小。水分迁移最大值发生在渠道底部,迁移率为13.2%。经过一个冻融周期的循环,复合土工膜的强度和变形量仍然保持在90%以上,强度和变形损失值较小,可充分发挥复合土工膜防渗抗冻胀和适应变形的特性。该研究为刚柔混合衬砌渠道的设计、推广应用提供了理论依据。     

基于数值模拟的“适变断面”衬砌渠道抗冻胀机理探讨

能适应渠基冻胀变形的衬砌渠道简称“适变断面”渠道。为了探明其抗冻胀机理及削减冻胀效果,应用ADINA软件对混凝土衬砌“适变断面”渠道冻胀进行数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、变形场和应力场,研究衬砌板应力和变形规律,并与弧形坡脚梯形渠道比较分析表明：“适变断面”渠道能降低最大法向冻胀量55.11%、最大法向冻胀力51.65%、最大切向冻结力56.85%;通过冻胀量均方差及冻胀力分析比较,“适变断面”使渠道受力状态得到显著改善,冻胀变形分布更加均匀;衬砌板法向错位值总计1.3 cm,纵向伸缩缝周向压缩值总计为9.7 cm,揭示了“适变断面”渠道利用宽纵缝既能释放衬砌板法向冻胀变位,又能吸收周向冻胀变位,从而适应渠基冻胀变形减轻冻害的抗冻胀机理。最后通过模拟计算了“适变断面”渠道冻胀量均方差对边坡系数的敏感性,指出边坡系数i约为1∶1.7～1∶1.4时,“适变断面”渠道抗冻胀效果很显著,为“适变断面”渠道的推广及优化设计提供了参考。     

植被混凝土生态基材冻融效应试验研究

以植被混凝土生态基材为研究对象,探讨了冷端温度、含水率、植生土类型及融化温度4个因素对其冻融效应的影响。结果表明:各因素对植被混凝土冻融效应影响的强弱顺序为植生土类型 > 含水率 > 冷端温度 > 融化温度;随冷端温度升高或含水率增大,植被混凝土的冻胀率与融沉系数均显著增大;其它条件都相同时,黏土配置的植被混凝土在冻融效应上比砂土表现的更为敏感;融化温度对植被混凝土融沉系数的影响微弱,且无规律可循;冻胀与融沉过程对植被混凝土耐久性的破坏主要体现在内部的微观结构上,冻融双重作用对植被混凝土的体积变化影响并不显著;以冷端温度和含水率为影响因素所建立的综合预报模型拟合度好,可有效预测植被混凝土冻胀与融沉变形量。     

梯形渠道衬砌冻胀破坏弹性地基板模型

为探讨开放系统中梯形混凝土衬砌渠道的冻胀问题,根据衬砌板与冻土地基的相互关系,采用 Winkler弹性地基板理论建立了考虑冻胀力和冻结力作用的衬砌板冻胀破坏力学模型,使用解析法得到了衬砌板变形和内力解,对不同地下水埋深、衬砌板几何参数的影响规律进行了分析。通过与已有现场观测值和计算值进行对比,验证了弹性地基板理论计算结果的正确性。研究结果表明：坡板在非均匀分布的冻胀力作用下,挠度、弯矩和剪力也表现为非均匀分布,挠度最大值在坡顶距坡脚2/3处,弯矩最大值靠近底板位置,拉应力分布与内力分布规律一致,与已有研究结果吻合。与梁理论相比,板理论计算结果表明衬砌板的挠度和内力沿板宽方向为非均匀分布,挠度和弯矩在自由边界（纵向伸缩缝）处增大,扭矩主要分布在衬砌板的拐角处。切向冻结力对渠道冻胀影响较小,在原渠道工况下,不考虑切向冻结力与考虑最大切向冻结力之间,最大挠度相差0.7 mm。针对不同地下水位的渠道,给出了衬砌板的安全厚度,可为现浇混凝土梯形渠道的抗冻胀设计提供参考和理论依据。     

基于混合解换热模型的地源热泵系统井群热干扰特性

为建立井群换热快速求解模型并研究其热干扰特性,提出了一种基于解析-数值计算的混合解模型,以16井群为研究对象,通过试验和数值模拟的方法研究了井群热干扰特性。研究结果表明:随着换热的进行井群中各井间产生热干扰并逐渐增强,同一运行时刻中井受热干扰程度最大、边井次之、角井则最小;由于井间热干扰的影响,角井换热能力最大、井壁温度最低,边井换热能力和井壁温度居中,中井换热能力最小、井壁温度最高,则运行90 d时角井换热量比边井大6.5%,边井换热量比中井大7.1%;角井对井群换热量的贡献率随换热时间延长逐渐增加,中井对井群换热量的贡献率则逐渐减少,而边井对井群换热量的贡献率基本不变。     

地热吸收式热泵在农村供热中的应用

本文针对中低温地热水,力求实现梯级利用,提高热利用率,探讨了以中低温地热水作热源的(驱动热源)第Ⅱ类吸收式热泵供热装置,提出了几种可能的方案。文中讨论了第Ⅱ类热泵的工作原理,介绍了本研究装置的系统,提出评价这类热泵的性能指标(当量供热系数)。并以氨·水工质为例,进行了计算。结果表明,这种装置具有较好的供热性能和高的热能利用率。     

石蜡相变储热系统的放热效率

相变储热技术是节能的重要技术之一,对相变储热系统的换热系数以及放热效率的研究,有助于提高相变储热系统的放热效率,对相变储热系统的实际应用有着重要意义。该试验研究了叉排石蜡管束储热系统的整体放热性能,测定了该系统的换热系数及放热效率,并分析了管排数,风速等影响因素。研究表明,在小于3m/s的风速下,空气温度变化在20～55℃的范围内,该类储热系统的换热系数与使用现有准则关联式计算得到的理论值基本吻合;放热效率则随着风速的增大而下降,随管排数的增加而有所提高,最大可达83%;另外,延长放热时间,可以提高换热效率,最高可使放热效率提高62%。     

间歇热处理抑制热伤害提高黄瓜贮藏品质

为了研究间歇热处理抑制黄瓜热伤害及对其贮藏品质的影响,以38℃热水为介质,分别对黄瓜进行连续处理60 min(H组)、及每连续处理10 min便放到常温水(20℃)中回温的间歇处理(I组),其中I组总有效热处理时间为60 min。处理后将所有黄瓜转移到温度12℃、相对湿度90%的冷库中贮藏15 d。测量了热处理过程中黄瓜内部组织温度分布;记录了贮藏期间黄瓜某些品质及抗氧化酶活性指标的变化,如呼吸速率、细胞膜透性、过氧化物酶(peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)及过氧化氢酶(catalase,CAT)活性等。结果显示,与CK组(不做任何处理)相比,H组有较高的呼吸强度、失重率、细胞膜透性及较低的硬度,表明H组出现了热伤害现象,同时H组和CK组在抗氧化酶活性方面没有显著差别(P0.05)。贮藏结束时,H组呼吸速率、硬度、相对电导率分别是CK组的1.19倍、92%及1.13倍。I组在品质及抗氧化酶活性方面均表现较佳。贮藏结束时,I组呼吸强度、失重率、POD、CAT、SOD活性分别是CK组的80%、55%、1.41倍、1.67倍及1.24倍。此外,通过对黄瓜内部组织温度的动态分析得:热处理过程中黄瓜组织所达到最高温度及在该温度下连续时间是造成黄瓜热伤害的内在因素;具有较快温度变化的热处理前期是黄瓜产生热处理保鲜效果的重要阶段。     

畜舍热交换芯体-风机热回收通风系统的热回收效果

热回收通风作为一种节能的通风换气方式,可缓解畜舍保温能耗与通风的矛盾。然而民用一体式热回收通风系统在畜舍中直接应用时存在通风量小、单位通风量的设备造价高等问题。该研究设计了适用于畜舍的新型节能热回收通风系统,并研究该热回收通风系统在以下3种不同配置条件下的热回收效果,探究该系统在畜舍中的较佳运行条件:板翅式热交换芯体配置不同迎面风速的热回收效果;新风依次经过2个串联连接的板翅式热交换芯体后的热回收效果;优化了板式热交换芯体与噪声小、风量大的轴流风机的参数配比后的热回收效果。结果表明:在舍内外温差为12.08℃,芯体配置迎面风速分别为1.05和0.86 m/s时,新风温度经过板翅式热交换芯体后分别升高了1.93和2.79℃,显热回收效率、热回收负荷和能效比分别为35.88%和43.63%、0.16和0.19 kW,1.37和1.61,两者显热回收效率均未达到冬季65%的节能标准。在舍内外温差为10.49℃时,新风依次经过串联的2个板翅式热回收芯体,经过第1次热交换后新风温度升高2.59℃,显热回收效率为52.11%,热回收负荷及能效比分别为0.39 kW,3.26;新风经过第2次热交换芯体时热回收作用甚微。优化板式热交换芯体与风机配比后,在舍内外温差为12.12℃,迎面风速为4 m/s时,新风温度升高8.23℃,显热回收效率为69.9%,能效比为8.0,达到了冬季节能标准。从该研究热回收效果看,第3种配置参数条件平衡了热回收效率及通风需求的关系,可满足畜舍大通风量及节能的需求。     

主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

为提高主动蓄放热系统集热效率,增强日光温室抵御低温能力,设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统,将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中;根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组,降低主动蓄放热系统循环水温,进而提升其集热效率;夜间室内气温较低时,通过主动蓄放热系统放热。试验结果表明：与对照温室相比,试验温室夜间气温高出5.26～6.64℃;热泵机组制热性能系数COPHp为4.38～5.17,主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量,保证理想的热源温度;在日光温室特定的光热环境下,主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了72.32%～83.62%,总体COPSys值达5.59,节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。     

石蜡相变储热管放热时间的理论预测与验证

物料干燥是一个高能耗的过程,而且大多传统干燥都会产生环境污染,所以利用清洁,廉价的太阳能来干燥物料很有必要,但由于太阳能具有间歇性,使得储热材料成为了太阳能干燥过程中必不可少的部分.该文利用石蜡作为相变储热材料,对实际干燥过程中,石蜡放热过程中储热单元的一些特性进行了研究.结果表明,在实际干燥过程中,储热单元中的石蜡管中心和管壁一直存在温度差,而且换热介质的气流速度越大,管壁的温度减小得越快.与此同时,该试验还通过对干燥过程中石蜡管内部热量传递过程进行模拟,得到了石蜡凝固半径的理论表达式,通过理论表达式,得到了石蜡管放热时间的理论值,结果表明,放热时间理论值均高于试验实际得到的值,但是二者的误差都在5％以内,可以认为二者基本相符,所以这个理论放热时间公式可以用于预测物料干燥过程中储热单元中石蜡管的放热时间,既可以避免由于放热时间不够而浪费石蜡里面储存的能量,也可以避免由于时间过长而浪费时间.     

热脉冲技术估算土壤水流通量评价

土壤水流通量(Jw)是一个重要的水力学参数,决定着土壤渗漏、径流和化学物质的迁移过程,但缺少相应的实际技术来进行实时定位测定。本研究通过设置室内一维饱和土壤不同水流速率下的热脉冲试验,根据热脉冲技术测定的热源上下游温度变化,利用上下游最大无量纲温差法(MDTD)、上下游温度升高比率法(Td/Tu)及改进的比率法估算Jw,并检验其可靠性。结果表明,三种方法估算的Jw与通过收集出流液测定的Jw存在很好的线性关系(R2>0.99)(Jw<6×10-5 m s-1)。三种方法估算的Jw均低于出流液测定值,其中Td/Tu估算的Jw精度最高,而且计算简单,需要的参数相对较少。对于质地较粗的砂土,Td/Tu法估算的Jw较为准确,但是对于质地较细的砂质黏壤土,尤其是Jw较大时,实测值和估算值差异很大,估算误差达到20%。此外,本文也分析了热脉冲技术低估Jw的原因,为进一步发展热脉冲技术提供依据。     

不同材质传热风道性能及蓄热土壤温度场CFD模拟

风道在园艺设施中应用较为广泛,通常作为土壤及墙体热量传递的载体。该文搭建了风道传热试验台,以聚氯乙烯管道(polyvinyl chloride pipe,PVC)、镀锌铁皮管道(galvanized iron pipe,GI)及钢筋网外缠绕土工布管道(steel mesh skeleton-geotextile composite pipe,SFG)3种管材作为传热风道,以土壤为蓄热体进行试验,结合计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)对蓄热土壤温度场进行分析。结果表明,SFG的传热效果最好,测试期间的换热量达到299.44 kJ,约是GI的4倍、PVC的3倍;SFG进、出口上、下、左、右4个方向的有效蓄热范围均远大于240 mm,PVC与GI的有效蓄热范围相似;通过CFD所建立的3个传热风道计算模型的最大相对误差为4.4%,模拟发现蓄热土壤截面温度从进风口到出风口具有一定的"坡降"。因此,SFG的传热效果明显优于PVC与GI,具有较高的应用潜力和一定的推广价值。     

温室地下蓄热系统换热特性研究

针对现行温室地下埋管式换热系统结构的缺点，为充分利用地下蓄热，提高地温和夜间环境温度，设计了一种新型温室地下蓄热系统。测定了系统蓄热与放热时进出口空气温度、湿度与换热管道出口处空气的流速。试验结果表明，温室地下蓄热系统蓄热和放热时进口空气与出口空气的温度差、焓差较大，其差值随系统运行时间降低，白天蓄热量与夜间释放热量大于系统消耗的电能，蓄热时运行时间不宜大于4.5 h。