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直埋热力管道保温材料及热损失计算分析《江西能源》肖平华1999年第01期32页摘要本文介绍了目前国内外直埋保温管道预制保温管的技术性能；并通过计算分析得出采用此类保温材料要比采用地沟敷设的常规保温材料热损失减少40%左右，而且节约投资并缩短施工周期，建议有条件的供热工程应采用预制保温管直埋敷设。
关健词直埋技术预制保温管热损失热阻前言国内外直埋技术的发展，已经有60余年的历史，早在30年代，原苏联最初采用泥作保温材料，40年代又改用浇灌泡沫混凝土作直埋管道的保温材料。
实践证明，这些保温材料吸水率大，直埋管道腐蚀严重。
50年代初的美国、丹麦和加拿大等国的各大公司研制了预制保温管，即“管中管”技术，从而使管道直埋技术发展到了一个新水平。
国内在50年代曾采用过浇灌泡沫混凝土的管道直埋敷设方式，70年代开始研究沥青珍珠岩保温材料的直埋热力管，取得了很大成绩，80年代我国出现了两种新型预制保温管：一类是天津大学根据国外经研制的保温结构为“氰聚塑”型式的预制保温管；另一种是引进国外生产线的“管中管”型式的预制保温管。
目前这种型式的预制保温管已先后在天津、北京、郑州等地进行大批量生产并广泛用于城市热力管网。
2直埋预制保温管技术性能国内外部份厂家生产的预制保温技术性能(见表1)表1国内外部分厂家生产的预制保温管技术性能氰聚塑直埋保温管是用硬质聚氨脂泡沫塑料作保温材料，外部用玻璃钢作防护外壳，钢管外壁刷一层“氰凝”作防腐层。
通用型适用于120℃以下介质的热力管网。
高温型适用于250℃以下介质的热力管网，其保温材料为硅酸镁发泡聚氨脂复合保温材料，保护外壳为玻璃钢。
第二种类型是“管中管”预制保温管，其保温材料为聚氨脂硬质泡沫塑料，保护外壳为高密度聚乙烯外套管，适用于120℃以下部介质的热力管网。
3保温层厚度及热损失计算保温层厚度应根据热损失法或经济厚度计算后并经综合经济效益比较后确定。
直埋管道的设计结构如图1所示。
图1直埋保温管结构示意图1热力管2主保温层3保温层4土壤5地面直埋管道的保温计算其原理与一般保温管道相同，但一般热力管的表面散热由外界空气吸收，而直埋管道由周围土壤来吸收，一般管道属于无限空间放热，直埋管道放热与管道埋设深度有关。
建筑节能2009年第1期(总第37卷第215期)No.1in 2009(Total No.215，Vol.37)地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案周学文(郑州市热力总公司，郑州450006)摘要：介绍了地埋管地源热泵使用地区的地域差异和由此导致的土壤吸、放热不平衡。
重点讲述了解决这种热失衡的两种方案，即太阳能辅助加热和冷却塔辅助冷却。
这两种混合式地源热泵系统可以分别有效地解决北方地区和南方地区竖直地埋管换热器取、放热不平衡的问题,使地源热泵系统同样可以在冷热负荷差别较大的地区得到高效率运行。
关键词：地源热泵；地埋管换热器；性能系数COP ；能效比EER 中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：1673-7237(2009)01-0064-03Problem s and Solutions for Therm al Balance of Vertical Ground Heat Exchanger inGround Source Heat Pum pZHOU Xue-wen(College of Art and Design,Zhejiang Science and Technology University,Hangzhou 310018,China)Abstract:The difference about the areas where the ground source heat pump be used in was presented,which lead to the thermal im －balance of soil between absorbing and releasing.Two plans to solve the problems were put forward,namely solar energy assistance heating and cooling tower assistance cooling.These two kinds of mixed ground source heat pump systems can solve the problems of ground heat exchang －er's thermal imbalance between absorbing and releasing in northern and southern areas,The ground source heat pump can be used with high efficiency in the areas where there is the bigger difference between heat load and cold load.Key w ords:ground source heat pump;ground heat exchanger;coefficient of performance;energy efficiency ration0引言地源热泵是以大地为热源对建筑进行供热或制冷的技术。
第一章引言1.1 研究背景1.1.1 热泵技术及地源热泵系统随着能源危机的加剧，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力发展清洁的可再生能源，这要求人们必须对于社会能源消耗情况要有清楚的认识。
地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。
地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。
地源热泵系统作为热源对建筑物进行供热和空调,与空气热源相比,有全年温度波动小、数值相对稳定等优点,具有良好的节能与环境效益,近年来在国内得到了广泛应用。
地埋管地源热泵系统是利用2O0m以内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采用地埋管换热器(geothermal heat exchanger)与大地(地层土壤、地下水)进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优点,有着广阔的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。
本文重点介绍地源热泵系统。
地源热泵系统包括一室内部分和两部分组成的室内部分包括热泵和管道系统（或风机盘管系统），类似于常规空调系统的腔室外部;地埋管换热器部分的室外部分（见图1.1）。
精品文档图1.1 地源热泵流程示意图1.1.2 地源热泵系统的优点1、高效节能，稳定可靠地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40%－50%左右。
2、使用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。
要比普通空调高35年使用寿命。
3、节省空间没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
地源热泵垂直埋管系统温度场分析冯宗伟环境工程学院 11级空调洁净技术摘要：简述地源热泵垂直埋管方式的选择原理，通过埋管井中，双U管运行时冷却水进出口水温、管内水流速计算出管内外换热热量，同时将土壤近似为半无限大空间，对管内各点与无限远处的土壤同水平点间进行传热量计算，对比数据的准确性。
运用已经确定的导热量，计算出管与管壁导热后管外壁点的温度，与热泵系统运行时，温度探测器测量到的地埋管在不同深度、不同时间段时各点的温度，对两组数据进行整理与分析，来探讨地源热泵地埋管系统运行时温度场的变化规律。
关键词：地源热泵垂直埋管 U型管土壤温度场引言：热泵技术在现代社会已经是一项实用且普遍的建筑制冷取暖技术，其中的土壤源热泵是利用地下浅层地热资源进行供热和制冷的高效节能的新型能源利用技术。
它利用卡诺循环和逆卡诺循环原理实现与大地土壤进行冷热交换的目的。
地源热泵系统由于其具有节能效果好、利用可再生资源、环保效益显著、使用寿命长等优点，现在越来越被广泛运用。
地源热泵技术充分利用地壳表层土壤中的可再生低温，通过消耗少量的电能，对室内进行供冷或供热。
其占地面积小，无任何污染，运行耗电少、成本低。
本文是我们通过在武汉地区进行实地考察，观察地源热泵在运行时，地源热泵垂直地埋管系统的温度变化数据，研究热泵地下温度场的变化规律。
正文：热泵是能够在夏天提供制冷的同时也提供冬天供暖的一种系统，从能量的角度来看，热泵系统是通过高品位电能驱动压缩机促使制冷剂工质相变循环与强制循环的土壤或者空气进行传热。
在夏季的时候将室内的高温传入介质中，同时通过冷却水的循环将建筑物内部达到适宜的温度；冬季时则吸取介质中的热量，通过一定的处理之后输送给建筑物内部进行取暖。
热泵的室外换热器可以利用空气、水或者土壤作为吸热的来源或者散热的对象，按照换热器散热、吸热介质的不同，可以分为地源热泵和空气源热泵，其中地源热泵又包括了水源热泵和土壤源热泵。
地源热泵的概念在1912年在瑞士的Zoelly在一份专利文献中首次出现，在近十几年的时间里得到了广泛的应用。
热力管道直埋敷设稳态径向温度场模型及求解摘要：有限差分法对直埋热力管道周围土壤径向温度场的求解，受其处理复杂求解区域和边界的局限性及其求解方法效率的低下，而建立直埋管道稳态径向温度场模型，分析了热力管道直埋敷设传热变化，并给出径向温度场的网格剖分方法及有限元求解方法，可提高计算效率。
关键词：热力管道径向温度场网格划分有限元1传热分析热力管道多采用架空、直埋敷设。
直埋热力管道一般由钢管、保温层、保护层组成，直埋热力管道内水或蒸汽通过对流换热将热量传递给管道内壁，然后通过导热将热量传递给管道外壁、保温层、保护层及土壤，再从地表以辐射及对流换热方式将热量传递给大气。
为简化传热模型，假设：直埋热力管道内介质为稳定的湍流；忽略管道内流体与壁面的对流换热热阻；管内壁温度为流体温度；土壤热物性为常数。
2单管稳态径向温度场模型考虑传热的对称性，单管直埋管道周围径向土壤温度场物理模型，见图1。
取某个截面进行研究，其导热为二维稳态。
左边界除管道内按常壁温计算外，其余为绝热边界；在距离管道中心一定距离处管道的热影响可以忽略，因此右边界也按绝热边界处理。
模型下边界取大地恒温层温度[1]，为第一类边界条件；模型上边界为大地表面，与大气进行对流及辐射换热，为第三类边界条件。
图1图2 图3管道运行稳态时管道周围土壤温度场的传热微分方程为：，（1）式中：—土壤温度，℃；—土壤导热系数，W/（m•℃）。
（1）左边界除管道以外部分的边界条件：，（2）（2）管道边界条件：，（3）（3）右边界条件：，（4）（4）上边界条件：，（5）；（5）下边界条件：，（6）式中：—管道埋深，；—管道水平影响区域距离，；—恒温层深度，；—恒温层温度，℃；—管道内壁温度，℃；—管道内半径，；—地表与大气的对流换热系数，W/（m2•℃）；其中由下式确定：，（7）。
—风速，m/s。
3双管稳态径向温度场模型3.1模型建立考虑传热的对称性，双管直埋管道周围径向土壤温度场物理模型，见图2。
热力管道直埋敷设稳态径向温度场模型及求解
摘要：有限差分法对直埋热力管道周围土壤径向温度场的求解，受其处理复杂求解区域和边界的局限性及其求解方法效率的低下，而建立直埋管道稳态径向温度场模型，分析了热力管道直埋敷设传热变化，并给出径向温度场的网格剖分方法及有限元求解方法，可提高计算效率。
关键词：热力管道径向温度场网格划分有限元
1传热分析
热力管道多采用架空、直埋敷设。
直埋热力管道一般由钢管、保温层、保护层组成，直埋热力管道内水或蒸汽通过对流换热将热量传递给管道内壁，然后通过导热将热量传递给管道外壁、保温层、保护层及土壤，再从地表以辐射及对流换热方式将热量传递给大气。
为简化传热模型，假设：直埋热力管道内介质为稳定的湍流；忽略管道内流体与壁面的对流换热热阻；管内壁温度为流体温度；土壤热物性为常数。
2单管稳态径向温度场模型
考虑传热的对称性，单管直埋管道周围径向土壤温度场物理模型，见图1。
取某个截面进行研究，其导热为二维稳态。
左边界除管道内按常壁温计算外，其余为绝热边界；在距离管道中心一定距离处管道的热影响可以忽略，因此右边界也按绝热边界处理。
模型下边界取大地恒温层温度[1]，为第一类边界条件；模型上边界为大地表面，与大气进行对流及辐射换热，为第三类边界条件。
图1图2 图3
管道运行稳态时管道周围土壤温度场的传热微分方程为：
，（1）
式中：—土壤温度，℃；—土壤导热系数，W/（m•℃）。
（1）左边界除管道以外部分的边界条件：，（2）
（2）管道边界条件：，（3）
（3）右边界条件：，（4）
（4）上边界条件：，（5）；
（5）下边界条件：
，（6）
式中：—管道埋深，；—管道水平影响区域距离，；—恒温层深度，；—恒温层温度，℃；—管道内壁温度，℃；—管道内半径，；—地表与大气的对流换热系数，W/（m2•℃）；其中由下式确定：，（7）。
—风速，m/s。
3双管稳态径向温度场模型
3.1模型建立
考虑传热的对称性，双管直埋管道周围径向土壤温度场物理模型，见图2。
管道运行稳态时管道周围土壤温度场的传热微分方程同式（1）。
边界条件的数学表达式：
，（8）
，（9）
式中：—两管道中心间距的一半，；其余边界条件同式（4）（5）（6）。
3.2网格划分
（1）有限元法。
有限元法适用于复杂的求解区域、并且处理复杂边界有着非常显著的优越性。
考虑到求解区域不边界的不规则性，本文采用有限元法进行求解。
对于稳态二维问题，以单管直埋管道为例，采用三角形单元剖分求解区域。
求解区域采用不均匀网格剖分，将求解区域分为4个区域，见图3。
区域I：管道内壁到管外最大覆盖层外壁。
该区域为不同的材料，划分网格采用同心圆，即保证节点落在材料的交界面上，这样可以保证每个单元只含有一种材料，共划分网格n1层。
区域Ⅱ：区域I外边界和上至地面、右至埋深、下至2倍埋深的区域。
该区域的网格剖分采用等圆心不等半径的方式，划分为n2层。
首先从圆心引出射线，射线落在区域Ⅱ中的线段长度为l，将线段不均的分成n2份d1，d2，d3，…，dn2，其外层线段与内层线段比i=di+1/di为给定值，i值大于1，本文推荐采用1.05～1.5范围内。
横坐标与相邻的Ⅱ、Ⅲ区域边界相同，纵坐标从上至下按比例i递增，沿y轴方向共划分n4层。
区域I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ经过上述划分形成有限个四边形，连接四边形的两个顶点，形成三角形单元。
（2）网格划分结果。
见图4。
图4（a）显示了整个区域的网格划分结果。
图4（b）局部放大了区域I、Ⅱ网格划分的结果，划分规律，本文中采用较为稀疏的网格，实际计算时可以通过加大n1、n2、n3、n4和m的数值来加密网格。
节点编号和单元编号选择从里到外、从上到下和从左到右三种原则进行划分。
4温度场求解方法
4.1 温度插值函数
对于三角形单元，每个单元e内的温度场离散成只于三个顶点温度、、有关的插值函数，。
每个单元插值函数的系数不同,插值函数满足：, ,，（10）；其中、、为三角形单元结点的坐标。
4.2 单元刚度矩阵
（1）对于稳态问题。
，（11）
系数：，，；，，，，，
（2）当结点i和j都在边界C上时，见图6。
，（12）；，（13）
式中：—单元系数矩阵；—和单元条件有关的单元列向量；A—三角形单元面积，m2；—边界单元的边界长度，m；—材料的导热系数，W/（m•℃）；h—表面换热系数，W/（m2•℃），单边界为第一类边界时，h取1012；
4.3 总刚度矩阵
平面中，把单元刚度矩阵按照对号入座的方法，合成总刚度矩阵。
用改进平方根求解线性方程组，得到求解区域温度场。
并且计算一个径向温度场，仅为求解一次正定的稀疏矩阵，可以应用改进平方根法进行求解，可大大提高了计算效率。
，（14）；，（15）
式中：—温度总刚度矩阵；—系数矩阵；—和单元条件有关的列向量；—未知温度的列向量；—边界温度或环境温度。
五、结束语
建立热力管道直埋敷设的单管及双管物理及数学模型；以单管为例给出了不均匀网格的划分方法和模型的有限元求解方法，提高计算效率。
利用该方法可以积分求出单位长度的散热量和管道的沿程温降，为实际直埋敷设热力管道运行做出技术支持。
参考文献：
[1] 孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用[M]．北京：科学出版社，1986．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
