新型圆台型螺旋“能源桩”的地下“热干扰”机制及沿程换热特性

Aiming at the problem of infrared exposure, system reliability and maintenance management of military underground space dehumidification and air conditioning project, a novel truncated cone helix energy pile (CoHEP) is proposed on the basis of existing cylindrical helix energy pile (CyHEP) technology. Based on the combination of theoretical calculation and experimental test, the "thermal interference" effect of the CoHEP is studied, and the quantitative evaluation index of the effect of "thermal interference" is put forward to explore the heat transfer characteristics of the CoHEP. The project is expected to establish the analytical solution heat transfer model of the CoHEP and the numerical solution model which can quickly calculate the intensity of the heat transfer along the path, revealing the " generatrix thermal interference", "radial thermal interference"," boundary thermal interference " mechanism, and the project proposed a CoHEP "staged" along the heat transfer characteristics. The results of the project have important practical significance for the energy saving of the existing military underground space dehumidification and air conditioning project, and promote the innovation and development of the ground source heat pump technology.

针对军事地下空间除湿及空调工程日益突出的红外暴露问题、系统可靠性问题及维护管理等问题，在既有圆柱型螺旋能源桩技术的基础上，提出新型圆台型螺旋能源桩换热技术。采用理论计算和实验测试相结合的方法，研究圆台型螺旋能源桩的“热干扰”效应，提出“热干扰”效应的定量评价指标，探索圆台型螺旋能源桩的沿程换热特性，项目预期将建立圆台型螺旋能源桩的解析解传热模型和能够快速计算沿程换热强度的数值解模型，揭示圆台型螺旋能源桩地下“轴向热干扰”、“径向热干扰”及“边界热干扰”机制，提出圆台型螺旋能源桩“分阶段”沿程换热特性，项目成果对既有军事地下空间除湿及空调工程的节能改造具有重要的现实意义，对地源热泵技术的创新发展具有推动作用。

针对军事地下空间除湿及空调工程日益突出的红外暴露问题、系统可靠性问题及维护管理等问题，提出新型圆台型螺旋能源桩换热技术。基于格林函数法推导得出了新型圆台型螺旋能源桩温度场的解析解表达式，对工程设计具有重要理论意义，基于无量纲温度表达式提出“影响系数”的概念，发现在相同换热管长与螺旋高度的情况下，圆台型螺旋能量桩换热管外平均无量纲温升稳定值小于圆柱型，换热性能优于圆柱型，圆锥角越大，影响系数越大，强化换热效果越好。提出了能够快速计算传热过程的二维圆环热源数值模型和热干扰强度的定量评价指标，发现：热干扰强度沿深度方向呈倒U型分布，进出口阶段热干扰强度小，换热能力强，能量桩中部热干扰强度大，换热能力弱，锥角0°、5°、10°、15°、20°螺旋能量桩的最大径向热干扰强度分别为4.54m•℃/W，4.41m•℃/W、4.37m•℃/W、4.31m•℃/W和4.23m•℃/W，最大母线方向热干扰强度分别为3.96m•℃/W、3.91m•℃/W，3.88m•℃/W、3.84m•℃/W、3.77m•℃/W。开展了基于热干扰强度指标的热干扰效应分区研究，研究表明：径向和轴向热干扰均可分为热干扰轻区、过渡区和重区，能量桩模型的进出口段均处于热干扰轻区，中间段则处于热干扰严重区，占比最大，锥角20°能量桩的热干扰重区比例最低，其径向热干扰轻区、过渡区和严重区比例分别为7.69%，23.08%和69.23%，母线方向热干扰轻区、过渡区和严重区比例分别为7.69%，17.05%和75.26%。建立圆台型螺旋能源桩的三维数值传热模型，分析了沿程换热规律，发现沿螺旋管水流方向具有4个不同的典型换热阶段：①入口阶段；②热短路阶段；③小温差阶段；④出口阶段。在入口阶段和热短路阶段，0°锥角下螺旋管的单位管长换热量最小，20°锥角下螺旋管的单位管长换热量最大。相反，在小温差阶段和出口阶段，0°锥角下的单位管长换热量最大，20°锥角下的单位管长换热量最小。新型圆台型螺旋能源桩的单位管长换热量大于传统圆柱型螺旋能源桩，且20°锥角条件下单位管长换热量最大，比0°条件下高了6.16％。