地埋管换热系统地温监测技术探析

分布串列式地层温度测量与数字传输系统改进海洋层温测量传感的核心技术,克服了传统的测试引线多、不易调试、成本高、无法真实反映土壤地层温度的诸多弊端,综合考虑了测温精度、仪器稳定性、安装的可行性、价格及其他因素。且通过试验证实:置于换热PE管内、管外所测的地层温度相差一般在0.05℃～0.1℃,均能较好地反应地层温度的真实变化特征,实际应用时可采用具有更多优点的将测线从PE管内下入方式。这种地温监测技术方法已在多个换热系统工程中应用,其精度和稳定性均能满足浅层地热能开发利用时地埋管群区域地下温度场动态监测的需求。     

地下群井改变径流条件下的三维实验模拟研究

为研究改变地下径流条件时对U型地埋管换热器周围温度场恢复的影响,对北京某区实验基地U型地埋管进行夏季换热实验。通过抽水实验改变地下径流条件,取得了地源热泵系统的运行参数以及周边温度场变化趋势,通过COMSOL软件模拟三维U型地埋管在多场耦合作用下的换热过程,改变径流条件得到了换热孔周围0.5 m、1 m地温场恢复曲线,得到U形管口出口温度等。地下水径流能引起地埋管周围温度场的变形,地埋管周围温度场的迁移变化方向同地下径流速度场方向一致。对比实验值得出:运行稳定后地埋管的出口温度模拟值与实际值工况接近,地埋管在10 m、120 m处的温度模拟值与实验值吻合好,地埋管深5 m、48 m、89 m处周围0.5 m、1m的温度恢复比原始地温高1℃左右,与实际监测结果相同,证明了数值模拟的正确性。在此基础上预测了加大径流条件下的地温场恢复情况,并分析了原因。此三维模型可研究不同土壤分层构造、地下水不同流速、人为改变地下流场条等复杂三维多场耦合问题,可初步预测实际工程中,换热群井运行过程中地下温度场的变化。为进一步研究土壤分层和地下水分层流动下,地埋管群井周围温度场变化奠定了基础。     

高寒草甸土壤微生物功能多样性对积雪变化的响应

积雪是高寒地区不可忽视的生态因子,不仅直接影响土壤温度、水分,而且间接影响土壤微生物群落组成和多样性。为研究高寒草甸生态系统中土壤微生物对积雪变化的响应,于2013年11月至2014年7月在青藏高原东缘红原县高寒草甸,通过人工堆积的方法建立4个不同积雪梯度,以自然积雪量为对照（CK）,2倍于自然积雪量（S1）、3倍于自然积雪量（S2）、4倍于自然积雪量（S3）。运用Biolog-Eco板法研究不同积雪梯度下土壤微生物功能多样性,并测定积雪变化对土壤温度和土壤养分的影响。结果表明：积雪期内,0~10 cm土层土壤温度随着积雪量的增加而降低,而10~20 cm土层随积雪量增加先降低后升高。增加积雪量处理后0~10 cm土层全磷（TP）、有机碳（SOC）显著增加（P<0.05）;而10~20 cm土层仅S3下全氮（TN）、TP、SOC增加。每孔平均变化率值（Average well color development,AWCD）在0~10 cm土层表现为CK > S2 > S1 > S3,而10~20 cm表现为S2 > S1 > CK > S3。在0~10 cm土层,S3处理显著降低了土壤微生物多样性McIntosh指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数（P<0.05）; 10~20 cm土层,S1和S2处理下多样性指数显著增加（P<0.05）。主成分分析显示：氨基酸类和酚酸类是微生物利用的主要碳源类型。相关性分析表明：多样性指数与TP、SOC、碳氮比（C/N）显著负相关（P<0.05）,氨基酸类碳源与TP、C/N显著负相关（P<0.05）。因此,冬季积雪一定程度上影响着土壤温度和土壤养分,进而影响高寒草甸土壤微生物群落功能多样性。     

跨季节蓄热型地源热泵热传递规律研究

基于有限元分析法,建立了准三维非稳态传热模型。在试验验证的基础上,分析了跨季节蓄热型地源热泵蓄热过程中土壤温度、单位井深换热量、热作用半径随热泵运行时间的变化规律,讨论了土壤结构、入口水温、入口质量流量、热泵运行模式等对土壤传热规律的影响,并研究了土壤热平衡问题。结果表明:同一半径不同深度处,土壤温度增长幅度随土壤热扩散率的增加而增大;土壤热作用半径随热泵运行时间及入口水温的升高而增加,并逐渐趋于稳定;间歇运行模式下,地埋管附近土壤温度及换热量均呈波动式变化,且当径向距离大于0.3 m时,与连续模式一致;在满足换热量的情况下,流体质量流量不宜过大;系统运行一个周期（360 d）后土壤温度基本可以恢复,且流体入口温度不宜低于40 ℃。     

地埋管换热性能综合微缩试验研究

为研究不同水文地质条件下地埋管换热器与岩土体换热情况,构建了室内地埋管换热器综合微缩实验台,并开展了干砂、饱和砂（不流动）以及饱和砂（流动）三种情况下的相似试验研究,结果表明:干砂、饱和砂和地下水渗流条件下综合导热系数依次增加;温度场范围依次加大,并且渗流对上、下游温度变化分别有阻碍和促进作用;随着渗流速度的加大,地下水将热量带到下游,温度场在水流方向被拉长。文章从试验数据论证了水流作用对地埋管换热影响,对地埋管设计等地埋管热泵的工程应用具有指导意义。     

地埋管换热性能综合微缩试验研究

为研究不同水文地质条件下地埋管换热器与岩土体换热情况,构建了室内地埋管换热器综合微缩实验台,并开展了干砂、饱和砂（不流动）以及饱和砂（流动）三种情况下的相似试验研究,结果表明:干砂、饱和砂和地下水渗流条件下综合导热系数依次增加;温度场范围依次加大,并且渗流对上、下游温度变化分别有阻碍和促进作用;随着渗流速度的加大,地下水将热量带到下游,温度场在水流方向被拉长。文章从试验数据论证了水流作用对地埋管换热影响,对地埋管设计等地埋管热泵的工程应用具有指导意义。     

长白山苔原带土壤温度与肥力随海拔的变化特征

土壤温度与土壤肥力的分解释放、植被生长密切相关。利用2015年8月至2017年6月长白山西坡苔原带5 cm土壤温度并测试其土壤肥力,分析了土壤温度与肥力随海拔的变化特征及土壤温度对苔原带肥力的影响。结果表明：（1）长白山西坡苔原带土壤最热月为8月,最冷月为1、2月。长白山西坡苔原带土壤年均温随海拔的升高而下降,垂直变化率为-0.44℃·（100m）^-1。月均温垂直变化率则有所差别,5-9月垂直变化率为正,其余月份垂直变化率为负。（2）海拔是土壤温度空间分异的主要影响因素,冷季土壤温度随海拔升高而显著降低。随着海拔升高,越稀疏的植被和越薄的土层使得土壤热容量越小,暖季土壤温度随海拔升高而显著升高。（3）长白山西坡苔原带土壤肥力,尤其是与植物生长关系密切的速效养分随海拔升高表现出先升高再降低,在植物多样性和丰富度及草本植物盖度最高的2 250 m处达到土壤肥力最高水平。低海拔（2 050~2 250 m）的土壤肥力水平明显高于高海拔（2 350~2 550 m）的土壤肥力水平。西坡苔原带土壤肥力的空间分异状况受草本植物入侵影响较大。（4）长白山西坡苔原带土壤肥力水平随土壤温度升高而升高,温度是土壤有机质分解和矿物质养分转化的限制性因素。建议山地苔原带生态系统生产和生态管理中要重点考虑草本植被入侵给土壤肥力带来的影响。     

典型地埋管系统模拟工况地温场特征研究

地埋管热泵是开发利用浅层地温能的一种方式,土壤温度场在地源热泵运行前后的分布情况,是地埋管热泵计中考虑的重要因素。文章在南京典型地埋管热泵工程布设监测孔,分别在能源桩和距离能源桩1.2 m、2.1 m、3 m处不同层位埋设监测设备,分析地温场的时空演变规律,得到热量的传递情况和温度的变化规律,并采用多元回归分析方法拟合地温场的变化方程,得到了能源桩地温随时间和深度的变化方程以及地温随时间和距离的变化方程。结果显示,随着距能源桩水平距离的增加,温度变化减小;随着深度的增加,土壤温度的影响范围减小,热量传递速率逐渐降低。     

不同土壤类型与含水率对水平埋管换热性能影响数值分析

为揭示地源热泵系统水平埋管换热器在不同土壤类型中的换热性能,基于土壤毛管水理论知识,结合数值模拟的研究手段,探讨了蓄能不同类型土体内(砂土、壤土、黏土)三相组成的差异对水平埋管换热器换热特性的影响规律。结果表明,在通入308.15 K制冷工况下,水平管在壤土中的出水温度降低至303.3 K,进出口水温差为4.9 K,埋管单位延米换热量37.1 W/m,水平管在壤土中的制冷换热效益显著;不同土壤(砂土、壤土、黏土)在经历相同制冷周期下,水平管的换热过程对壤土的温度场分布影响最小,管体在壤土中运行时热堆积风险系数最低。研究表明,水平管与土壤的换热性能同时受土壤比热容与土壤导热系数的影响,提高土壤导热系数比提高土壤比热容获得的效益更加显著。可以通过压实回填、减少土壤孔隙率、提高固相回填材料导热系数、加大布管深度以提高回填材料含水率等方法来强化埋管的换热性能。      

非开挖定向技术在铺设不同材质污水管中的应用

非开挖技术在市政工程管网建设中已得到成功广泛的应用。传统非开挖定向拉管技术主要针对抗拉强度较好的钢管、PE管施工,且多为电力、电信套管或压力管等,标高要求不严,但在非压力污（雨）水管铺设时,除标高控制严格外,污水管网的材质也是多样化的设计,给传统非开挖施工提出了难题。针对PE管柔性好,HDPE管抗拉、抗压强度差,小口径砼管不适用顶管施工等特点,采用非开挖定向技术新工艺施工,取得了很好的效果。     

Physical modeling of buried PVC pipes overlying localized ground subsidence

The last half-century has witnessed a proliferation in the use of polyvinyl chloride (PVC) pipes in civil engineering applications. However, little physical data are available to date to assess conformance with performance limits of these pipes subjected to events involving localized ground subsidence. In this study, experimental results are generated and evaluated from a series of physical models involving a buried PVC pipe overlying a localized subsiding bedding zone. Ground subsidence was simulated using a precisely controlled trapdoor system positioned at mid-length of the pipe. A technique including the use of a custom-made displacement transducer was developed as part of this study to facilitate collection of continuous deflection profiles along the axis of the pipes. The progressive development of soil arching was also monitored using earth pressure sensors placed on the top, sides, and at several locations beneath the pipe, both within and beyond the zone of ground subsidence. Strains in the external wall of the pipe were also monitored. The results indicate that significant bending developed in the portion of the pipe traversing the subsidence zone, especially at the pipe crown. Beyond this point, radial deflections of the pipe cross section continued to be detected along the pipe length to distances of approximately four pipe diameters. Ground subsidence induced a severe redistribution of the earth pressures measured in the soil mass surrounding the pipe. A significant increase in vertical soil pressures beneath the pipe was captured within a distance of about one pipe diameter outside the subsidence zone. The overall response of the PVC pipe to localized ground subsidence was found to improve with increasing backfill density and decreasing soil confinement.

     

水热型融雪路面金属导热管合理埋设间距研究

为了研究水热型融雪化冰路面结构中金属导热管合理布设间距, 建立了基于传热学理论的路面融雪化冰有限元分析模型, 对不同外界气温、 不同埋设间距工况下金属热管融雪化冰能力进行计算分析. 结果表明: 外界气温在0~-10 ℃之间时, 热管融雪效果明显. 气温低于-10 ℃时, 热管尽量埋设至路面中部; 热管最优间距为100~200 mm, 当热管间距>200 mm时, 即使管内水温高达40 ℃, 0 ℃ 等温线将不再连续.     

青藏铁路透壁通风管通风路基模型试验及初始温度场特征

通风路基作为一种积极主动保护冻土路基的冷却调控技术能有效的抬升多年冻土上限, 保护冻土路基的稳定性. 目前实体试验工程通风路基一般采用路基内预埋实体混凝土管或PVC管, 管壁不能透风, 管壁与土体间主要通过热传导进行换热. 一种管壁开孔、可以透风的新型通风管--"透壁通风管"既能以管内空气间的对流带走管内热量; 因其管壁透风, 低温的冷空气可以透过管壁的大孔眼穿透到通风管周围的介质中, 直接与其进行热交换, 从而改善传统通风管换热模式. 为探索透壁通风管在青藏铁路路基中的实际温控效果而进行了青藏铁路透壁通风管路基现场试验, 试验路基短期监测资料的分析结果显示, 透壁通风管对青藏铁路路基具有良好的冷却能力, 可在一定程度上抬升冻土上限; 透壁通风管路基经填土级配优化重组后更能充分发挥其路基冷却效果     

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例，研究管幕冻结法的温度场发展规律，基于二维多孔介质传热理论，采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算，模拟结果通过现场实测验证，研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明:冻结30 d时，实顶管完全被冻土包裹，并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕；冻结50 d时，空顶管被冻土完全包裹；冻结90 d时，实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m，满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内，两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d，-0.88℃/d和-0.25℃/d，之后各测点温度趋于稳定，进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。      

不同顶管组合方式的管幕冻结温度场模型试验

拱北隧道作为港珠澳大桥珠海连接线的关键性工程, 在国内外首次成功运用了管幕冻结技术。以此为背景, 为更加全面地掌握饱和软土地层中管幕冻结温度场的分布特点, 开展了不同顶管组合方式下的管幕冻结温度场模型试验研究。试验结果表明： 各测点温度曲线在积极冻结期前4 h急剧下降, 随后逐渐减缓, 降至砂土冰点后趋于平稳, 三种布管方式均满足冻结设计要求; 冻结管中低温盐水提供的冷量首先传递给顶管管壁, 再以“面”的形式均匀地传递给周围土体; 积极冻结21 h后, 采用四根空顶管组合的C区冻结壁竖向范围最大, 空管管壁正上方冻结壁平均厚度约为105 mm, 在满足管幕刚度设计要求的前提下, 可采此布管方式以达到快速形成冻结帷幕的目的。限位管开启后的4 h内, 实顶管中线垂直距离100 mm范围内测点温度曲线虽有明显回升但仍维持在冻土冰点以下, 超出此范围后温度变化影响逐渐减弱, 且顶管间冻结壁稳定存在, 表明限位管在满足管间有效封水的条件下, 能在一定范围内起到定向限制地层冻胀的作用。优化后的双圆形冻结管在满足冻结设计要求的同时, 更加便于安装且经济环保。     

Damage Survey of Water Supply Systems and Fragility Curve of PVC Water Pipelines in the Chi–Chi Taiwan Earthquake

Substantial damage to water supply systems, including water delivery pipelines, water treatment plants, reservoirs, and water storage tanks, was reported after the 1999 Chi–Chi Taiwan Earthquake. This paper first summarizes the damage survey and then presents the results of seismic fragility analysis for underground pipelines. Construction blueprints of the water delivery pipelines and repair work orders of 11 townships and cities in the disastrous area were digitized into a Geographical Information System (GIS) for analysis and assessment. With the aid of the GIS system, we found that PVC pipes made up 86% of water delivery pipelines while steel, cast iron, ductile iron, PE and others took the rest. Therefore, this paper focuses on the fragility analysis of PVC pipes. Three different methods were applied to derive the fragility relations between the PVC water pipes having nominal diameters (approximately inner diameters) greater than or equal to 65 mm and earthquake intensity parameters such as peak ground acceleration and peak ground velocity. The results were then examined with those of other countries. The discrepancy between our results and the empirical equation used by HAZUS, an earthquake loss estimation software developed by the Federal Emergency Management Agency was not significant.     

平面土基刚性圆管基底压力分布的试验研究

很多给排水、原油输送管道直接敷设于原状平面土基之上,此种情况下的管道基底压力分布明显不同于研究较多的其它类型基础上管道的分布规律。本文在工程现场试验的基础上,结合Winkler弹性地基解析法,初步探讨了平面土基上刚性圆管的基底压力的分布规律,由本文模型所得的计算结果与试验结果吻合程度较高。     

PE管道性能及其使用范围分析研究

PE（聚乙烯）管道经过快一个世纪的发展,尤其是在燃气管道行业已经占领了主要地位。本文通过对PE管道的发展历史、规格性能和性能优点进行了详细阐述,充分地展示了PE管道相对传统管道（金属管道等）的优越性。结合PE管道的特点和主要应用范围,总结了PE管道在燃气和给水管道工程中的注意事项。发展PE管道材料工艺及其施工工艺,可以实现管道工程项目合理且经济。     

Numerical analysis of soil pipe effects on hillslope water dynamics

Soil pipes are considered to drain off water from a hillslope and play an important role in the subsurface runoff generation process, thus reducing the slope failure susceptibility. However, soil pipes are also often detected on the collapsed slope suggesting that they might act to induce slope instability. To examine how the soil pipes act on pore-water pressure generation and on a slope failure processes, a numerical model was developed. The model was used to test the response of pore-water pressure in a hillslope with soil pipes of different cross-sectional areas, lengths, distances from the impermeable bed, roughness, and hillslope angles. The model was also tested to find the response of open soil pipe if blocked. The study reveals that pipes reduce pore-water pressure (measured closed to bed) around its upstream end and increase around its downstream end if compared with no pipe case. Pore-water pressure at downstream end is increased with increase in hillslope angle, pipe cross-sectional area, pipe length, or depth of soil pipe. Soil pipe, even if it is ended within the hillslope, increases the total discharge from hillslope. Location of rough soil also affects the discharge and pressure within the hillslope. If the less rough pipe is close to the source of water, discharge from hillslope matrix is greater regardless of its downstream pipe roughness. Blockage of small portion of open soil pipe increases the soil pressure around the region but not beyond the case if there is no soil pipe. However, complete collapse of soil pipe from a point to all along the downstream end of hillslope increases the pore-water pressure beyond the pressure if there were no soil pipes. Therefore, the position and type of soil pipe collapse might play an important role in shallow landslide initiation.