低溫熱管地熱利用試驗及數值模擬

王懷靜

【摘要】本文一開始通過初步的介紹對地熱采暖的優點進行了相應的描述，然后對低溫熱管地熱控制做了闡述，最后詳細的分析了低溫熱管地熱利用試驗及數值模擬。

【關鍵詞】低溫熱管，地熱利用，數值模擬

一、前言

由于低溫熱管地熱利用率的不斷的發展和進步，對地熱利用的要求也就更高，但是在實際的利用過程中，一些技術已經滿足不了日益增多的需求，這就要提醒我們在工作中對低溫熱管地熱利用試驗及數值模擬的需求。

二、地熱采暖的優點

1、節約能源

房間內沿高度方向上溫度分布比較均勻，溫度梯度小，減少了無效熱損失。輻射供暖房間設計溫度可比散熱器采暖方式低2-3℃，卻能獲得更佳的舒適感，從而起到減少供熱量，節約能源的作用。同時，由于低溫傳送，故熱量損失小。

2、溫度均勻

高空間的展廳按傳統供暖方式，靠外墻僅能布置有限數量的暖氣片。同時，由于舉架高，熱空氣上升，會造成上熱下冷，很難保證工作地帶的室溫。低溫地面輻射采暖方式則較好地解決了這一難題。

3、節省居室面積

減少了常規采暖方式暖氣所在的空間面積，可節省寶貴的居室實際面積6-10%，也就是說一個100平方米的居室由于放置和裝飾散熱器，將白白損失6-10平方米的居室面積，假如3000元/平方米，那么將損失掉18000-30000元，這還不包括因裝修暖氣片而需要的裝修材料費用及人工費，而選用地熱采暖就可以全部節省這筆費用。

4、運行費用低

暖氣片供暖方式一般15-20年需更換管道和部分暖氣片，而地板輻射供暖只需定期清洗過濾器，運行費用僅為系統微型泵的電力消耗，故維修運行費用極低。

三、低溫熱管地熱控制

1、絕熱層鋪置

鋪置前要對樓面做好處理，要保證墻根處沒有積塵，要保證表面光滑平整、干燥不潮濕、沒有凸出的結塊，以免絕熱層鋪置在不平整的基層上，要在確保絕緣層不會被破壞的基礎上，盡可能地控制好樓層的凈高。同時要事先在內外墻的交接處留出一定的伸縮縫，內部填充聚乙烯泡沫板，泡沫板和墻體之間要固定牢靠，而且要緊密聯系地面的絕熱層。

2、安裝分集水器

分集水器位置的選擇要合理：1）要盡可能靠近采暖管，盡量減少入戶的管道數量；2）為了便于日常維修，通常選擇放在廚衛廳。一定要注意的是供水回水兩個管道不能接反，通常來說分集水器的供回管道是上供下回，過濾器要安裝在分水器前端，要是供回水管道接反了，過濾器就會失去作用，等時間一長，雜質進入了地暖系統，會造成管道系統的堵塞，進而影響供暖效果。

3、鋪設加熱管

依據不同房間散熱保溫情況，進行針對性地加熱管設計和鋪設，高溫管段應該先布置在外墻側與外窗，如果房間的面積比較大的時候可以設置兩路或者兩路以上的回路。填充層里面的加熱管不允許有接頭，管道彎曲的時候也不允許有死折的出現。塑料和鋁塑的復合管的彎曲半徑不應當比6倍管外徑小，銅管的彎曲半徑不應該比5倍管外徑小。而衛生間和廚房這類面積比較小的空間不可以用平行的布管方式，應該使用回字形的布管方式。使用U形帶刺固定管卡將安置好的加熱管固定于絕熱層，直管段的固定間距以50cm～70cm為宜，彎曲管段的固定間距宜以20cm～30cm為宜，在彎頭兩端使用固定管卡固定。以上工作完成后還要用鋼絲在上方鋪一層鋼絲網。在加熱管鋪設之前要仔細檢查管道的內外有霧污垢雜物，所用管道在使用前應做水壓試驗，以便檢查有沒有漏點。

4、中間驗收

分集水器及加熱管安裝之后一定要進行中間驗收，及時檢查各個管道及接口處有無滲漏現象、閥門開關是否靈活嚴密等，而且要再次做水壓試驗。當系統沖洗合格之后才能進行水壓試驗。要先固定好試壓管道及零件，并采取一定的保護措施，水壓試驗的壓力要是正常工作是壓力的1.5倍，其最低標準也不能低于0.6MPa。向分集水器中慢慢的注水，把管道中的空氣同步排出，使用手動泵對其緩慢升壓，其時間不能小于15min，當壓力升至正常的工作壓力后保持該壓力1h，在1h內壓力正常下降不能超過0.05MPa。

5、澆筑填充層

當水壓試驗成功后就要開始做填充層，濕鋪法是目前施工中最常見的方法，填充層的厚度以5cm為宜。為了保護反射膜及絕熱層，其填充材料通常選用豆石混凝土，配比是水泥：黃砂：豆石=1：2：3，豆石的粒徑要小于12mm，同時要添加定量的微膨脹劑。當加熱管的系統水壓值不低于0.6MPa時才能澆筑豆石混凝土，這樣既能避免加熱管受混凝土擠壓導致變形，萬一管道有地方損壞也能及時發現。填充層的養護期不能少于21天，養護期間要保證加熱管中的系統水壓不能低于0.4MPa。

6、調試

當填充層額養護期結束后，要對地暖系統進一步調試，確保系統的水力及熱力情況能達到最初的設計要求，沒有經過調試的地暖系統不可以運行使用。初次加熱使用時，水溫要控制在比當時的環境溫度高10e左右，但最高溫度不能高于32e，通熱48h后以3e/24h的速度逐步把水溫提升到預設的溫度，最后再次對系統內部每個回路進行檢測、調試。

四、低溫熱管地熱利用試驗及數值模擬

1、重力熱管構建

在搭建重力熱管時，都采用了合理的假設，將熱管分成了三個部分，而兩者的不同點在于，基于VOF模型的案例，將熱管分為了蒸發段、隔熱段和冷凝段，然而基于SIMPLE算法的案例將重力熱管分為了蒸汽區、液膜區和固體壁區三個區域，在構建重力熱管時不同的區域劃分，通常是由研究側重點決定的，在研究熱管中的熱量傳遞時，往往采用第一種方法；而在研究熱管中的管壁溫度分布時，往往采用第二種方法。

2、物理模型的假設條件

在重力熱管的物理模型建立時，由于真實熱管運作時內部流動和傳熱十分復雜，所以必須進行一些合理的理想化假設，才能方便的構建出熱管的物理模型，通常對于不同的數值模擬假設條件有這些：熱管處在穩態工作狀態，管內流體為穩態流動；熱物理常數不隨溫度變化而變化；蒸發段和冷凝段外表面為等熱流密度邊界條件、熱管兩端面為絕熱面；汽、液兩相為飽和流體且為連續流動，充液率適當，無液池存在或存在一個高度較小的液池；汽液流體流動為層流流動，而且蒸汽為亞音速流動；流動與傳熱問題為二維軸對稱問題，即蒸氣流速和壓力及液體流速和壓力僅是軸向位置的函數。

3、網格劃分

（一）、網格選擇

FLUENT在二維問題中可以使用由三角形、四邊形或混合單元組成的網格，在三維問題中可以使用四面體，六面體，金字塔形以及楔形單元，或者兩種單元的混合；

（二）、網格節點密度和聚集度

由于平均流動和湍流的強烈作用，湍流的數值計算結果往往比層流更容易受到網格的影響。在近壁面區域，不同的近壁面模型需要不同的網格分辨率；

（三）、網格單元形狀

單元的形狀（包括單元的歪斜和比率）明顯的影響了數值解的精度。四邊形網格最好的單元就是頂角為90度，三角形網格最好的單元就是頂角為60度。對于各向異性流動，過渡的比率可以用較少的單元產生較為精確的結果。但是一般說來應該盡量避免比率大于5：1。

五、結束語

低溫熱管地熱利用試驗及數值模擬在每一條高速公路建設中都有著重要的作用。在山區公路建設的過程中，如果山區公路的設計得不到充分保障，存在潛在隱患，那么，對山區公路的質量會產生很大的影響。

參考文獻

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