利用地热提高室外地下给水井内部温度的新方法.pdf

1 3 2 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章 编 号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 9 。 0 1 3 2 ． 0 3 利用地热提高室外地 下给水 井 内部温 度的新方法 潘 昌荣 ， 白辛 民 ， 王永波 ， 李洪磊 ( 1 ． 青藏铁路公司 ， 青海 西 宁8 1 0 0 0 7 ； 2 ． 甘肃第四建设 集团有限责任公 司 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 6 0 ) 摘 要 ： 根 据 传热机 理 ， 综合 分析 北方寒 冷地 区安放 给 水设备 的给 水 井、 消防 井 内的传 热过 程 提 出热 能 改 造 方 案 ， 利 用地 热和 井壁保 温 两项技 术 ， 对 青藏铁 路 公 司 多个给 水 井进 行 了保 温 改造 。 工程 实践 证 明 ， 在 气温为 一 2 0℃ 的低 温 条件 下 ， 井 内温度 可 以保 持 在 3℃ ～5℃之 间 ， 较 好地 解决 了北 方给 水终端设 备 冬 季保 温 问题 。 实际应 用和检 测结 果验 证 了该技 术 的 可行 性 和 实 用性 ， 达 到 了绿 色、 环 保 和 节 能 的 目 的 。本文介 绍 了该技 术 的原理 、 热 源井深度 的计 算 、 热源 井开挖 和砌 筑技术 、 井壁保 温材 料 的选 用 ， 提 出 地 下水位 对地 热利 用的影 响可 以忽略 。 关键 词 ： 地 热 给 水井 防 冻 保 温 中 图分类 号 ： U 2 9 1 ． 1 7文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 ． 2 0 1 2 ． 0 9 ． 4 0 青藏铁路公 司车辆段位于青海省西宁市 ， 运用车 间担负着所有客车车厢的检修维护任务 ， 由于客车车 厢内既有明火 ( 茶炉、 电暖气等) 又有易燃物 品( 被褥、 桌椅 、 厢 体装饰 材 料 ) ， 故 存 在着 很 大 的安 全 隐 患 。为 消防需要 ， 在股道间敷设 了一条给水管道 ， 设 置了 l 3 组 室外 地下 消火 栓 。给水管 道埋设 在 地下 1 ． 2 t n冰冻 线 以下 ， 每个给水栓安装在 1 ． 2 I n1 ． 2 m的地下给水 井 内， 在整个管路系统的最低点设置了一个排空阀， 在 冬季每次使用结束后 ， 打开排空阀阀门， 排净每个给水 栓 和管 路 中残 留 的积 水 ， 防 止 冬 季产 生 冻 结 。实 际应 用 中， 井 内设施往往是供水终端 ， 栓体和管路中残留的 积 水很 难做 到完 全排 空 ， 一 个 冬 季 后 绝大 部 分 给 水栓 会被冻裂 。作为消防设施 ， 必须尽快恢复该 系统的正 常使 用 。 目前 ， 常用 的管道( 栓体 ) 保温是采用保温材料或 电热带加热等方式 ， 受井 内空间和井内设施影响 ， 许多 方案无法实施 ， 站内调车作业极为繁忙， 现场仅有一个 宽 3 m、 长 6 0 0 m 的狭长通 道 ， 整 治 方 案 的实施 不 能影 响相邻 股道 的行 车 ， 不 可能 采取 封闭 股道大 开挖 施工 ， 改 造方 案首 要考 虑 的问题是 必须 解决 狭窄环 境 中 的施 工 作业 。利 用地 热对 室外供 水设 施进 行 防冻保 温 的新 方法 ， 经过几个冬季 的实 际应用 ， 证 明该方法简单 易 行 、 效 果 良好 ， 无 维 护 费 用 ， 具有 实 际使 用 价 值 。该技 术 于 2 0 1 1 年 获得 国 家专利 ( Z L 2 0 1 l 2 0 0 3 0 5 5 2 ． 9 ) 。 收稿 日期： 2 0 1 2 - 0 4 - 2 5 ； 修回 日期： 2 0 1 2 — 0 6 ． 2 0 作者简介 ： 潘昌荣( 1 9 5 8 一) ， 男 ， 甘肃临洮人 ， 工程师。 1 利用地热对室外供 水设施保温 现场 调查 发现 ， 冻 坏 的部 件 主 要 是 给水 井 内的铸 铁给水栓 ， 其部位为给水栓入 口接管和法兰， 在所有接 口管上 均有 1～ 2条 竖 向裂 缝 。很 明显 ， 在 冬季 给水 栓 周 围环 境温 度降 到 0 o C以下 时 ， 给 水 栓 里 未 能完 全 排 净的残 留水结冰后冻胀致使设备管道损坏。系统中被 埋在冰冻线以下 的供水总管道基本完好。经分析研 究 ， 提 出3种改造设计方案。 1 ) 更换 冻坏 的给水 栓 按原设 计思 路 ， 将 原有 管路 开挖后 调整管 道坡 度 ， 使管 道和 给水栓 内的残 留水 能够 顺 畅 地排 干 净 ， 更 换 冻坏的给水栓 。但是 ， 按照现场情况 ， 在如此狭窄的现 场环境中无法进行大开挖作业。 2 ) 电热带伴热 电热带伴 热是最 常用 、 最有 效 的保 温 方式 。但是 ， 需 敷设 供 电电缆 ， 同样 需 要 开 挖路 基 ， 穿 越 轨 道 ， 施 工 难 度较 大 ， 成 本 较 高 ， 使 用 寿 命 有 限 ， 发 生 故 障 概 率 较高 。 3 ) 采取其 它途 径 根据传热机理综合分析给水井 内的传热过程 ， 通 过寻 找热 源 和 减 少 热 损 两 个 方 面 找 到 解 决 问 题 的途 径 。即从 给水井 内部 热能 的“ 开源 ” 与 “ 节 流 ” 人手 ， 探 讨水 管 防冻方 法 。 1 ． 1寻 找热源 地表浅层热量主要来 自于太阳辐射 ， 夏季地表吸 收 热量 冬季释 放 热量 。近地 表 地 温 的 特点 是 夏 季 上 部 地温 高于下 部 ， 而 冬 季是 下 部 地 温高 于上 部 。随 着 2 0 1 2年第 9期 利用地热提高室外地下 给水 井内部温度的新方法 1 3 3 季 节 的变 化 ， 地 表 以 下 的 温 度 呈 周 期 性 的变 化 ， 这 种 变化 幅度 随 着深 度 的加 深 而 减 弱 ， 越 往 下 变 化 幅 度 越 小 ， 即地 温趋 于恒 定 。 基 于 此 ， 在 当地 进 行 了 地下 地 温 检 测 试 验 。试 验 概 况 为 ： 钻孔 深度 5 m， 温 度检 测元 件 为 p t l 0 0热 电阻 ， 显 示 记 录 用 多 点 巡 检 数 显 仪 。钻 好 孔 后 ， 每 5 0 0 m m 布设 一个 热 电阻 ， 共 设 9个 。安 装 好 下 面 一个 热 电 阻 后 ， 填 入 原土并 捣 实 ， 到 5 0 0 m m 高 度 后 ， 再 置人 一 个 。 现场仪表安装好 后 ， 逐 日按 时记 录每 日各点温度 ( 如 图 1 ) 。从 图 1可 以看 出 ， 在 冬 季 最 冷 季 节 ， 地 下 4 m 深处 地温 均在 6℃ ～ 8℃ 之 间 ， 并 且非 常 稳 定 。可 见 ， 只要 有 足够 的深 度 ， 地 下 的 热量 是 可 以利 用 的。实 际 中 ， 热 源 热量 是从 给水 井 底 部 挖 掘 成 的 被 称 为热 源 井 的 圆柱形 空 间表 面获取 的。 温度I T l 5 —1 O 一5 0 5 1 0 1 5 2 0 0 9年 1 2月 2 8日9 ： 0 0现场钻 L 测定 ， 西宁 图 1 测 温孔 地温曲线 1 ． 2减 少热损 地表 以下 热量 虽然 很 丰富 ， 但 温 度较 低 ， 要有 效地 利用 它来 提高 给水 井 内温 度 ， 必 须设 法 减 少 给水 井 的 热量 损失 。在 冬 季 给 水 井 四周 井 壁 与 地 表 冻 土 层 接 触 ， 井 内热量一部分通过井壁 以传导方式散失到土壤 里 ； 井 顶部 与 大气接 触 ， 上部 热量 通过 井顶 盖 以对 流方 式 散 人大 气 。减 少 这 两 部 分 热 损 失 就 能 提 高 井 内温 度 。减少 的方 法就 是 对其 进行 保 温 ， 即加 大 井 壁 和 顶 盖 的热 阻。保 温所 用材 料要 求导 热 系数小 、 不 怕水 、 施 工 容 易 。在热 源井 深 度确 定 后 ， 选 定 保 温材 料 和 计 算 保 温层 厚 度是 设计 的主 要 内容 。 1 ． 3传 热 过程 分析 从 以上 分 析 可 知 ， 热 源 井 深 度 越 深 ， 地 下 温度 越 高 ， 热源井提供的热量也就越多 ， 井壁保温层厚度可以 减薄 ， 相应 的保温 费用 降低 ， 但热源井 的建造 费用 增 加 ； 如 果热 源井 较浅 ， 热 源 井 的建 造 费 用 会 减 少 ， 但 由 于 热 源温度 降低 ， 而使 保 温 费用 和 保 温 难 度 加 大 。因 此 ， 在建造 中， 确定热源井深度 和保温层厚度时， 应在 施 工 可行 性和 经济 性上 来平衡 二 者 。 1 ) 热 源井 温度 确定 热源 井底 部深 度 3倍 于 当地 冰冻线 深 度时 可 以得 到 较 适 宜 的 井 内 温 度 。 在 西 宁 地 区 ， 冰 冻 线 为 一 1 ． 3 m， 热 源井 深度 在 4 ． 0 1T I 左 右 时 ， 底 部 温 度 可 以 达到 5℃ 以上 。实 施 中要 边 开挖 边 检 测 ， 确 定 井 底 部 温度达到设计值。 2 ) 井壁传热分析 若井 内温度始终 > 0℃， 则给水栓不会冻结 ， 不需 要保 温 ； 若 <0℃ ， 则 会 冻 结 而 不 能 使 用 ， 需 要 保 温 。 严格 来说 ， 井 内温 度 场 属 于 含 相 变 ( 有 水 汽 的蒸 发 和 凝结 ) 、 有 内热 源 、 具 有 移 动 边 界 的 不 稳 定 导 热 ， 解 析 解 比较难 求 为了分析方便 ， 将给水井内的传热过程进行简化 。 在冬季 ， 给水井内以冰冻线为界 ， 将热交换 的传热面分 为上 下 两部分 。上 部 温 度 在 0 o C以下 ， 热 量 通 过 井 壁 进人土壤和通过井盖散人大气 ， 是一吸热冷源 ， 井 内表 面 的这一 部分 称 为散 热 面 ， 提 高井 内 温度 的措 施 是 加 强这 部分 的保 温 ； 冰冻 线 以下部 分温度 在 0 o C以上 ， 与 大地相连， 把大地的热量源源不断地送到井 内， 在热交 换 中它是 一个 热 源 ， 井 内表 面 的这一部 分 称为供 热 面 ， 增加 供热 的措 施是 扩大 供热 面积 和提 高井 壁温 度 。供 热 面为井 内提 供 热量 ， 散热 面则 从井 内 向外 移 除热量 。 两个面之间的热量传递主要是通过井内空气 自然对流 来 实 现 的 ( 如 图 2 ) 。当供热 面供 给热 量 的速率 与 散热 面移 出热量的速率达到平衡 时， 井 内各点 的温度趋 于 恒定 ， 这个温度就是给水井 的平衡温度。要使给水栓 不被冻结 ， 必须使给水井 内的各点平衡温度始终要保 持在 0℃ 以上 。 口散 热 口 地平面 图 2井 内传 热过 程示 意 从几何形状及结构看 ， 冰冻线下部的供热面是热 源 井 的井底 和侧 壁两 部 分 面 积 之 和 ， 传 热方 式 可 近 似 为对流表面与无限大固体间的传热。要提高供热面的 供 热量 ， 必须 加 大供 热 面 积 和 提 高表 面温 度 。根 据 给 水 井井 底结 构 ， 加深 热 源井 深 度 是 增 大 供热 面 积 和提 O 5 O 5 O 5 O 5 0 O 1 1 2 2 3 3 4 u v 聪 1 3 4 铁道建筑 高表 面温度 的 主要途 径 。 给水 井冰冻 线上 部 的散热 面为 井壁 和顶 盖两部 分 面积之和。井壁与大地相连 ， 传热形式为对流表面与 半无限大固体间的传热 ； 顶 盖部分的传热为顶盖导热 和上下表面气体对流 的复合传热方式。经此简化 ， 给 水井传热分析可归纳为这 四个面的热平衡计算 。通过 计算得到保 温层厚度 为 7 8 ． 5 m m 时， 在外 界气 温在 一 2 0℃的温度下 ， 给水井温度可保持在 3℃以上 ， 井 内设备不会发生冻结 ， 据此确定了防冻保温改造方案 ( 如 图 3 ) 。 地 平 面 注 ： T 表示井底温度 ， ℃ ； T 表示绘水栓顶温度 ， ； 表示井 内上部空气温度 ， ℃ 图 3改造后示意 2改造 实施及应 用效 果 经 实测 ， 当地 4 m 深处 地温 达 到 5 q C～ 8℃ ， 在施 工 中聚氨酯泡沫塑料保温层厚度为 8 0 m m。 2 ． 1开凿 热源 井 将原给水井井底凿除直径 为 1 ． 2 m的圆形 区域 ， 然后按此圆垂直向下挖掘热源井。为了不影响旁边的 路基 ， 采用 了沉 管法 施工 工艺 ， 即边 下挖边 砌衬 。内衬 管为 内径 1 m高 5 0 0 m m 的圆形混凝土环管 ， 最后形 成一个内径 1 m， 从冰冻线计 向下深度为 2 ． 5 m 的热 源井 。在 挖掘 到冰 冻线 以下 2 ． 5～ 3 ． 0 n l 时 ， 砂 土层 温 度 为 6 o C以上 ， 说 明热 源温度 足够 。 2 ． 2井 壁 、 井顶盖 保温 保 温材 料采 用聚 氨酯泡 沫 塑料 ， 井 壁从 外侧保 温 ， 用 现场 发泡 工艺 浇注 ， 这样 可 以不 占用 井 内空 间 ， 而且 不 易损 坏 ； 井 顶 盖 从 井 盖 内表 面 保 温 ， 粘 贴 8 0 m m 厚 聚氨酯 预制 块 ， 这样 可 以避 免 因上 部 车辆 等 重 物 的碾 压 而遭 到破 坏 。 2 ． 3 应 用 情况 2 0 0 9年 1 1月底 8个 消 防井 改 造完 成 后 即刻 投 入 了使用 ， 使用期间定期检测 了每个井 内的温度 ， 对具有 代表性的 4个点 的温度进行了记录。分析所测温度和 几个冬季的使用情况 ， 所有改造过的正常给水井 ， 内部 温 度均在 5℃ 以上 ， 即 使有 渗 水 或 有 地下 水 的 井 内 给 水栓 顶部 表面 温度也 在 3℃以上 。经 过几个 冬季 的考 验 ， 没有 发生 过冻 结 现象 ， 表 明改 造 是 成功 的。另 外 ， 施 工 中发 现有 一 口井 地下 水位 较 高 ， 水 深 0 ． 5 m； 有一 口井 地 面 洗 车 污水 渗 漏 到里 面 ， 水 位 高 1 ． 0 i n 。从 检 测得知 ， 这些 积水 对井 温虽 有影 响 (比正 常井 降低 2℃) ， 但不是太大， 这为今后高地下水位地 区设计保 温 井提 供 了借 鉴 。温度记 录数 据见表 1 。 表 1部 分 给 水 井 温 度 记 录 ℃ 注 ： 上部 空气温度用热电偶温度计检测 ， 其它温度用红外 检测仪检 测 ； 北 3号井有地表水流入 ， 积水 深 1 r n ； 北 6号井地下水渗出 ， 水位 0 ． 5 3 结论 我国北方地区室外水系统防冻保温是冬季的一项 重要工 作 ， 这 些 间断使 用 的供水 末端 设施 ， 在冬 季气 温 低于 零度 的条件 下 ， 停 用时 间过 长会被冻 结 ， 而无法 使 用 ， 甚 至会冻 坏设 备 。利 用 地 热对 室 外 供水 设 施 进 行 防冻 保温 ， 彻底解 决 了北 方 室 外 给水 终 端设 备 的冬 季 防冻 问题 。实 际应用 表 明 ， 该方 法具有 技术 独特 可靠 、 节能环保和无需维护的优点 ， 对铁路 、 机场、 车站和公 共场所的消防安全意义重大 ， 具有很大的推广价值。 参 考 文 献 [ 1 ] 刁乃任 ， 方肇洪． 地埋管地源热泵技术[ M] ． 北京 ： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 陈红雷 ， 王建平． 砌壁后冻结壁 内表面环 向温度变化特征 分 析[ C ] ／ ／ 2 0 0 9全 国矿 山建设 学术会议 文集 ( 上册 ) ． 合肥 ： 合肥 工业大学 出版社 ， 2 0 0 9 ： 2 9 7 — 3 0 2 ． [ 3 ] 王恒 ， 李长忠 ， 瞿延 忠． 聚 氨酯在浅部 地层冻 结管保 温 中的 节能研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 3 6 — 3 9 ． [ 4 ] 夏敏文． 热 能工程设 计 手册 [ M] ． 北 京 ： 化学 工业 出版社 ， 1 9 98． [ 5 ] 任世铮． 传热学 [ M] ． 北京 ： 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． ( 责任 审编 王红)