混凝土储热桩的储热试验研究

资料大小：250KB
资料类型：.PDF
资料等级：
发布时间：2021-09-17

资料介绍

混凝土储热桩的储热试验研究
李守圣，赵大军，赵研，黄晟辉
(吉林大学建设工程学院，吉林长春130026)
摘要：分析了地下储热技术的现状，对混凝土储热桩的储热效果进行了试验与模拟。结果表明：混凝土储热桩体越大，
储热效果越好，可以将建筑物桩基集团化，组成一个巨大的地下储热体；流量在超过1 m ／h以后，温差和单位时间内地
下埋管换热器向混凝土桩的传热量大幅度降低；通过调整混凝土的组成材料，可制成热物性质不同的绝热混凝土或者高
温储热混凝土等，提高储热的效果；混凝土桩储热技术可以与地源热泵结合使用，提高热泵效率，降低初期投资。
关键词：热能；混凝土储热桩；储热
中图分类号：YU528 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1000．1379．2010．02．045
随着常规能源的日益减少，人类将目光转向太阳热能和热
电厂发电余热等，采用各种方法存储并利用这些热能。目前，
热能存储方法主要有潜热储热、化学反应储热和显热储热等。
潜热储热是利用物质发生相变时需要放出和吸收的潜热
进行蓄热的方法。潜热储热密度较高，而且储、放热过程近似
恒温，特别是固、液相变储热，储热系统效率较高，体积较
小。J。但潜热蓄热也存在如下缺点：需要两个独立的液体循
环回路；需要同时具有较大的热扩散率和热容量的相变材料；
为保证相变材料的凝固速度与取热速度协调一致，热交换器需
进行特殊设计；相变材料易发生过冷和晶液分离现象等。
化学反应储热是利用可逆的吸热化学反应进行储热和放
热，主要是利用某些无机氧化物的水合热。这种方法的储热密
度高，氧化物可长期储热，但其循环效率低，运行和维修要求
高，费用大，难以形成大规模的储热系统。
1 混凝土储热桩的理论分析
混凝土储热桩是指在混凝土桩内部埋设换热管，在外部进
行防水、保温和密封处理后，形成一个以混凝土桩为储热载体
的储热体系。由于储热桩外部进行了保温处理，可以视为热量
不向外部土壤扩散，因此其储热的过程就是桩体内换热管向桩
内部传热的过程。
1．1 混凝土储热桩的物理模型
以单u形埋管换热器为例，由于垂直埋管周围实际混凝土
温度场十分复杂，它与混凝土的类型、热力参数、供热运行时间
等因素有关，因此为了求解方便，笔者将单U形埋管换热器两
根支管用一根等价管代替，其当量半径为re： r，式中r为U
形管单管半径。建立模型时做以下假设：混凝土与埋管之间
传热方式为纯导热；等价管的管壁与混凝土的换热量各处是均
匀的；埋管与混凝土完好接触，忽略接触热阻；混凝土和流体的
热物性为常数；加热流体的流量为常数。
1．2混凝土储热桩的数学模型
将两支管等价成一根管后，混凝土的传热问题就属于三维
传热，其传热方程如下：
OT
=
p c
(蜜Ox
p＼ + Oy2+ )，+。 p c P (1)
由于直接利用上面的三维传热方程求解温度场比较复杂，
因此通过建立等价埋管周围的二维传热模型，耦合求解不同深
度的传热方程，来最终实现三维数值解。
埋管外壁与混凝土之间的导热微分方程如下：
Ot =去g(、 ar2+。÷r Or)， (、 rE≤、～ ) (、～2)
式中：为混凝土的瞬态温度，℃ ；A 为混凝土回填材料的导
热系数，W／(In ·oC)；为密度，kg／m~；c 为比热容，
kJ／(kg·℃)；r。为单根埋管半径，m；rb为混凝土桩的半径，m；t为
时间，S。
1．3 混凝土储热桩传热模型的边界条件
单根埋管对周围混凝土温度的影响可以达到桩的边缘，如
图l所示的ABCD区域。
图1 传热计算区域示意
图中：D 为单根埋管管径，z为对称轴，取等价管中心线为
对称轴；CD边为混凝土桩上表面；AB边为等价管的末端；BC边为
距离埋管管壁r(in)的混凝土桩边界；AD边为等价管埋管的管壁。