混凝土储热桩的储热试验研究.pdf
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1、第 3 2卷第 2期 2 0 1 0年 2月 人民黄河 Y EL L 0 W RI VE R V0 1 3 2 No 2 F e b , 2 01 0 【 水利水 电工程 】 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 1 3 0 0 2 6 ) 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
2、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 :Y U 5 2 8 文献标 识码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 0 0 2 0 4 5 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
3、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。
4、 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 r e: r , 式中r 为 U 形管单管半径 。
5、 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 O x + O y 2 + ) + p c ( 1 ) p , 。 P 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
6、程如下: O t=去 ( + Or ) (rE ) (2 ) g、 a r2 。 r , 、 、 、 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 ( I n o C) ; 为 密 度, k g m ; c 为 比 热 容, k J ( k g ) ; r 。 为单根埋管半径, m; r b 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A B C D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;
7、 C D边为混凝土桩上表面; A B边为等价管的末端; B C边为 距离埋管管壁r ( i n ) 的混凝土桩边界; A D边为等价管埋管的管壁。 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 7 1 o 基金项 目: 长春 市科技计 划项 目( 2 0 0 7 S F 1 2 ) ; 吉林 大学“ 9 8 5 ” 东北资 源与环 境 科技创新平 台联合资助项 目。 作者简介: 李守圣( 1 9 8 1 一) , 男( 锡伯族) , 辽宁瓦房店人, 博士研究生, 主要从 事太阳能和地热联合供暖、 混凝土桩地下热能存取技术等研究工作。 E - ma i l : l s s g g l s s y a h
8、o o , c a 99 人 民 黄 河2 0 1 0年第2期 ( 1 ) 绝热边界 。混凝土桩 A B、 B C、 C D边界为保温层绝热边 界 , 则 : _A g =0 ( 3 ) , = 0 ( 4 ) 鲁 。 = 0 ( 5 ) ( 2 ) 初始边界条件。在远边界 B C和 A B处的温度为混凝 土桩原始初温, 这里认为保温层 内外温度一致 , 故取混凝土桩 内初始温度。 ( 3 ) 第二类边界条件。边界 A D为第二类边界条件。 当供热运行 时 =g ( 6 ) 当供热停止时 _A g ( 7 ) 近似认为 q为定值。因为垂直埋管管壁很薄( 3 5 m m) , 所以可忽略管壁对换
9、热的影响, 认为由埋管传向混凝土的热量 等于管内循环溶液传向埋管的热量 , 则单位面积地下埋管与混 凝土的换热量即热流密度 q 为 q:Q F ( 8 ) 式中: Q为单位时间内地下埋管换热器向混凝土桩的传热量, W; F 为等价地下埋管的表面积, m 2 ; Q可以通过计算或者试验获得。 2 混凝土储热桩的试验研究 在地下埋设一根直径 1 m、 长度3 m的试验桩, 桩上表面距 地表 0 3 m, 桩身用厚度 0 1 m的聚氨酯保温层包裹。桩内埋 有内直径 2 5 m l n 、 长 1 0 m的镀锌铁管。采用功率为 1 k W 的加 热器持续加热循环水, 以恒定流量进行循环的方式进行试验。
10、 试验过程 中分别观测进桩和出桩的循 环水温 以及 桩中心 、 桩边 缘和保 温层 边缘 竖直 方 向各 点 的温 度。水 热 比取4 2 0 0 J ( k g ) , 水导热系数取 0 6 4 W ( m o C) , 混凝土 比热取 1 1 0 0 J ( k g ) , 混凝土 导热 系数取 1 5 W ( m o C) , 混 凝 土密度取 2 0 0 0 k g m 。测得相关数据见表 1 。 表 1 不同流量 下不 同温度段内进出桩温度 通过对试验数据的对比发现 : 流量为 0 5 5 m h时, 进 出 桩循环水温差为 1 3; 流量为 1 m h时, 进出桩循环水温差 为0
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