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摘要：在集中供热过程中，由于供热管道固定墩会疏散一部分热量，产生一定的供热管道固定墩的散热损失，降低了集中供热的效率。基于此，本文就针对集中供热管道固定墩处的热桥效应进行深入的探究与分析，对影响管道固定墩温度分布及散热损失的因素采用计算流体动力学（CFD）模拟软件进行数值模拟，然后进一步的对这些影响因素的具体作用结果进行探析，以期望寻出有效的固定墩保温措施。
关键词：直埋供热管道；固定墩；数值模拟；热桥
直埋供热管网系统中的固定墩由于存在热桥效应，其散热损失量十分大，但是数量巨大的固定墩散热损失却一直被人们所忽略。因此本文以新建直埋供热管道的固定墩散热损失为研究对象，确定热桥效应在其散热损失中所起的作用，寻求更加合理的设计、施工方案，减少供热管道固定墩的散热损失。
1、固定墩传热模型
1.1耦合传热模型的处理
埋地固定墩周围的实际温度场比较复杂，它与土壤的导热系数、埋地深度、地表温度的变化、管道发热量、管道直径等因素有关。本文主要目的是研究固定墩及其周围土壤的温度场分布情况及其散热损失情况。为进一步方便求解，忽略影响较小的次要因素，做以下假设：
1）假定土壤和组成固定墩的钢筋混凝土为均质、各向同性的固体，各热物性参数均为常数；
2）忽略土壤中因水分迁移而引起的热迁移；
3）假定地表的温度不随时间做周期性变化。
1.2固定墩模型的求解方法
采用整场求解方法，对固定支墩处的耦合传热过程，建立统一的数学模型，并用交错网格对控制方程进行离散；本文在进行稳态流固耦合传热数值模拟时采用的是SIMPLE算法；并利用GAMBIT软件对物理模型进行网格划分。网格划分时采用混合网格且对模型进行分块，在温度变化较大的管道和混凝土区域采用非结构型加密网格网格，在温度变化较小的土壤区域采用不加密的结构化网格。模型的网格划分情况如图2所示。在使用CFD软件进行数值求解的过程中，细心处理好物理模型的网格、设定好材料的物性参数、求解的模型，以保证计算过程中物理量的连续。经过反复试算及改进，得出对此类流固耦合传热过程的数值模拟，得到固定墩及其周围土壤的温度场分布情况。
2、固定墩热桥的影响因素研究
2.1固定墩埋深的影响
假设在整个供暖期间，供水管的平均水温tg=130℃，回水管的平均水温th=70℃。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃；供暖期间土壤表面的对流换热系数h=45W/（m2·K）。
本次计算中取土壤的导热系数1.5W/（m·K），密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/（kg·K）。钢筋混凝土的导热系数取为：1.883W/（m·K），密度为2500kg/m3，比热容为840J/（kg·K）。模型的具体参数如下：管道公称直径为DN800；两管中心距b=1.4m，管子埋设深度h具体数值如表1中所示（管顶到地表距离）。固定墩的尺寸长×宽×高为：3m×3.5m×2.4m。
从模拟的结果来看，隨着固定墩埋设深度的增加，固定墩的散热损失量逐渐降低但降低的幅度越来越小，通过增加固定墩埋设深度来减少固定墩散热损失的效果不明显，而且随着埋设深度的增加施工成本会越来越高。综合起来固定墩埋设深度对固定墩热桥效应有一定影响但不是主要因素，通过增加固定墩埋深来减少固定墩散热损失意义不大。
2.2供回水温度的影响
假设在整个供暖期间，供回水管的平均水温tg、th如表2中所示。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃；供暖期间土壤表面的对流换热系数h=45W/（m2·K）。本次计算中取土壤的导热系数1.5W/（m·K），密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/（kg·K）。钢筋混凝土的导热系数取为：1.883W/（m·K），密度为2500kg/m3，比热容为840J/（kg·K）。模型的其他具体参数同上。
从模拟的结果来看，随着供回水设计温度增加，固定墩的散热损失量呈明显的上升趋势。供回水设计温度的高低对于固定墩的散热损失量影响显著。在集中供热季节，供热管网可以通过集中质调节的方法来部分缓解固定墩散热量较大的状况。虽然此方法操作简单，但是消耗的电能较多。
从模拟的结果来看，土壤表面对流换热系数对固定墩散热损失的影响比较小，通过控制土壤表面的对流换热系数来减少固定墩散热损失意义不大。
2.3钢筋混凝土导热系数的影响
假设在整个供暖期间，供水管的平均水温tg=130℃，回水管的平均水温th=70℃。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃；供暖期间土壤表面的对流换热系数h的具体数值如表2中所示。本次计算中取土壤的导热系数1.5W/（m·K），密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/（kg·K）。钢筋混凝土的导热系数如表3中所示，密度为2500kg/m3，比热容为840J/（kg·K）。模型的其他具体参数同上。
从模拟的结果来看，随着钢筋混凝土导热系数的降低，固定墩的散热损失量明显降低。由固定墩热桥形成的传热过程可知，钢筋混凝土导热系数的影响具有决定性作用。模拟结果来，正好验证了这一说法。要想有效降低固定墩的散热量还得从有效降低钢筋混凝土的综合导热系数方面入手，寻找切实可行的保温措施。
3、结论
1）模拟结果表明单个固定墩的散热量是十分大的，单个固定墩的散热量达数千瓦，此处的散热损失情况确实比较明显，有较大的节能潜力。应该对其进行有效地保温措施，减少它的散热损失。
2）对固定墩热桥效应的影响因素，固定墩的埋设深度、供回水的水温、土壤表面对流换热系数、钢筋混凝土的导热系数进行了分析。从模拟结果来看钢筋混凝土的导热系数和供回水的水温对固定墩散热损失影响显著。
参考文献：
[1]温小波.浅析直埋供热管道散热损失[J].山西建筑，2010，36（15）：187～188.
[2]郭孝峰，夏再忠，吴静怡，等.埋地管道温度特性数值模拟与相似性实验研究[J].太阳能学报，2010，31（6）：727～730.
关键词：直埋供热管道；固定墩；数值模拟；热桥
直埋供热管网系统中的固定墩由于存在热桥效应，其散热损失量十分大，但是数量巨大的固定墩散热损失却一直被人们所忽略。因此本文以新建直埋供热管道的固定墩散热损失为研究对象，确定热桥效应在其散热损失中所起的作用，寻求更加合理的设计、施工方案，减少供热管道固定墩的散热损失。
1、固定墩传热模型
1.1耦合传热模型的处理
埋地固定墩周围的实际温度场比较复杂，它与土壤的导热系数、埋地深度、地表温度的变化、管道发热量、管道直径等因素有关。本文主要目的是研究固定墩及其周围土壤的温度场分布情况及其散热损失情况。为进一步方便求解，忽略影响较小的次要因素，做以下假设：
1）假定土壤和组成固定墩的钢筋混凝土为均质、各向同性的固体，各热物性参数均为常数；
2）忽略土壤中因水分迁移而引起的热迁移；
3）假定地表的温度不随时间做周期性变化。
1.2固定墩模型的求解方法
采用整场求解方法，对固定支墩处的耦合传热过程，建立统一的数学模型，并用交错网格对控制方程进行离散；本文在进行稳态流固耦合传热数值模拟时采用的是SIMPLE算法；并利用GAMBIT软件对物理模型进行网格划分。网格划分时采用混合网格且对模型进行分块，在温度变化较大的管道和混凝土区域采用非结构型加密网格网格，在温度变化较小的土壤区域采用不加密的结构化网格。模型的网格划分情况如图2所示。在使用CFD软件进行数值求解的过程中，细心处理好物理模型的网格、设定好材料的物性参数、求解的模型，以保证计算过程中物理量的连续。经过反复试算及改进，得出对此类流固耦合传热过程的数值模拟，得到固定墩及其周围土壤的温度场分布情况。
2、固定墩热桥的影响因素研究
2.1固定墩埋深的影响
假设在整个供暖期间，供水管的平均水温tg=130℃，回水管的平均水温th=70℃。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃；供暖期间土壤表面的对流换热系数h=45W/（m2·K）。
本次计算中取土壤的导热系数1.5W/（m·K），密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/（kg·K）。钢筋混凝土的导热系数取为：1.883W/（m·K），密度为2500kg/m3，比热容为840J/（kg·K）。模型的具体参数如下：管道公称直径为DN800；两管中心距b=1.4m，管子埋设深度h具体数值如表1中所示（管顶到地表距离）。固定墩的尺寸长×宽×高为：3m×3.5m×2.4m。
从模拟的结果来看，隨着固定墩埋设深度的增加，固定墩的散热损失量逐渐降低但降低的幅度越来越小，通过增加固定墩埋设深度来减少固定墩散热损失的效果不明显，而且随着埋设深度的增加施工成本会越来越高。综合起来固定墩埋设深度对固定墩热桥效应有一定影响但不是主要因素，通过增加固定墩埋深来减少固定墩散热损失意义不大。
2.2供回水温度的影响
假设在整个供暖期间，供回水管的平均水温tg、th如表2中所示。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃；供暖期间土壤表面的对流换热系数h=45W/（m2·K）。本次计算中取土壤的导热系数1.5W/（m·K），密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/（kg·K）。钢筋混凝土的导热系数取为：1.883W/（m·K），密度为2500kg/m3，比热容为840J/（kg·K）。模型的其他具体参数同上。
从模拟的结果来看，随着供回水设计温度增加，固定墩的散热损失量呈明显的上升趋势。供回水设计温度的高低对于固定墩的散热损失量影响显著。在集中供热季节，供热管网可以通过集中质调节的方法来部分缓解固定墩散热量较大的状况。虽然此方法操作简单，但是消耗的电能较多。
从模拟的结果来看，土壤表面对流换热系数对固定墩散热损失的影响比较小，通过控制土壤表面的对流换热系数来减少固定墩散热损失意义不大。
2.3钢筋混凝土导热系数的影响
假设在整个供暖期间，供水管的平均水温tg=130℃，回水管的平均水温th=70℃。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃；供暖期间土壤表面的对流换热系数h的具体数值如表2中所示。本次计算中取土壤的导热系数1.5W/（m·K），密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/（kg·K）。钢筋混凝土的导热系数如表3中所示，密度为2500kg/m3，比热容为840J/（kg·K）。模型的其他具体参数同上。
从模拟的结果来看，随着钢筋混凝土导热系数的降低，固定墩的散热损失量明显降低。由固定墩热桥形成的传热过程可知，钢筋混凝土导热系数的影响具有决定性作用。模拟结果来，正好验证了这一说法。要想有效降低固定墩的散热量还得从有效降低钢筋混凝土的综合导热系数方面入手，寻找切实可行的保温措施。
3、结论
1）模拟结果表明单个固定墩的散热量是十分大的，单个固定墩的散热量达数千瓦，此处的散热损失情况确实比较明显，有较大的节能潜力。应该对其进行有效地保温措施，减少它的散热损失。
2）对固定墩热桥效应的影响因素，固定墩的埋设深度、供回水的水温、土壤表面对流换热系数、钢筋混凝土的导热系数进行了分析。从模拟结果来看钢筋混凝土的导热系数和供回水的水温对固定墩散热损失影响显著。
参考文献：
[1]温小波.浅析直埋供热管道散热损失[J].山西建筑，2010，36（15）：187～188.
[2]郭孝峰，夏再忠，吴静怡，等.埋地管道温度特性数值模拟与相似性实验研究[J].太阳能学报，2010，31（6）：727～730.