混凝土储热桩的储热试验研究.pdf

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 r e： 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 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； 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 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。 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 7； 流量为 1 3 3 m h时， 进出桩循环水温差为0 3。 流量越大， 温差越小， 单位时间内埋管换热器向混凝土桩的传 热量也越小。参照 中华人 民共 和国城镇建设行业标 准 c J 1 0 0 1 2 8 2 O o 0中热量计算标准 ， 桩体单位时间内储存热量计算 公式 为 ， l ， j Q=I q m A h d =J P q A h d ( 9 ) J 0 J r 0 式中： Q为释放或吸收的热量， J ； g 为流经热量表的水的质量 流量， k g h ； q 为流经热量表的水的体积流量， m h ； p为流经热 量表的水的密度， k g m ； A h为在热交换系统的入口和出口温 度下水 的焓值差 ， J k g ； r为时间 ， h 。 因为温度随时间升高， 而不同温度对应的焓值不同， 其焓 值差也不同， 所以依据上式， 可以计算出1 h内地下埋管换热器 向混凝土桩的平均传热量为4 5 0 8 0 0 W。 3 混凝土桩传热模拟分析 利用 M A T L A B软件中的有限元方法对实际建筑中的混凝 土桩进行地下传热模拟。 由于实际桩埋 深较深 ， 因此取 中间深 度的大地温度为桩体温度 ， 以长春市地下温度为例 J ， 桩体温 度为 8 。设定模 拟单位 时间内地下埋管换热器向混凝土桩 的 传热量 为 7 0 0 W ， 流量为 1 m h 。 图2为加热 1 h桩内部温度， 从图中可以看出桩体温度最 高上升4 6 8 C， 在换热管周围温度最高， 沿半径方向逐渐降低。 由于保温层不能绝对的绝热， 因此桩体内温度还是会慢慢 向外部突然扩散的。从图3 、 图4、 图5可以看出， 停止加热 1 0 h 后， 桩体温度下降 1 8 3 o C， 2 0 h后下降 3 2。随着桩体温度 的降低， 其向保温层外散热的速度也越来越慢。从模拟结果可 以看出， 1 h储热的热量需要2 0 h以上才能完全散失， 储热效果 比较明显。同试验桩相比， 实际桩热量散得较快的原因是桩体 直径小， 温度上升太快， 温度高， 热量快速通过保温层向外界流 失。针对这种情况 ， 可以采用多根小直径桩组成储热群体来储 存热量。 图 2加热 1 h后温度 Y m X ， m 图3停止加热 1 h后温度 享 i m 娩 驼 糜 隧 跎 、 越赠 人 民 黄 河2 0 1 0年第 2期 3 4 9 3 3 4 9 2 魁 赠3 4 9 l -+ 4 冀3 4 9 0 3 4 8 9 0 2 2 J 。 2 2 5 21 2 2 0 赵 娟2 1 2 1 5 髦2 12 1 0 21 2 0 2 4 结论 图 4 停止加热 1 0 h后温度 图 5 停 止加热 2 0 h后温度 ( 1 ) 混凝土桩储热， 是一种利用 自身温度变化吸收热量进 行储热的方法， 通过试验与理论研究 ， 证实这种方法是可行的。 ( 上接第9 8页) 3 对策 ( 1 ) 加大对施工 方违规建设 的处罚力度 。由博弈模型 空间 解及要素变量与博弈解的关系分析可知， 加大处罚力度 ， 在 有效降低施工方作弊空间的同时 ， 可以增加监理方的认真监理 空间， 同时弥补博弈双方信息不对称所造成的失职行为， 并减 少施工方为了实现 自身利益最大化所产生的道德风险的发生 概率。 过大的处罚力度虽然可以在一定程度上遏制施工方违规 建设的行为， 但是也可能降低施工方进行工程建设的积极性。 处罚力度 的确定不仅要起到限制施工方违规施工的作用， 而 且应根据 工程 实 际情 况考 虑 处罚 力 度 与 工程 建 设积 极 性 的 关 系。 ( 2 ) 对施工方采取适当的激励机制以降低道德风险的发 生概率， 可减少施工方违规建设行为。 业主可与施工方约定， 对 于提前完工的情况 ， 在满足质量要求的前提下 ， 给予一定比例 的奖励， 且额度超过施工方违规建设所获得的额外收益 b 。 这 样， 不仅可以降低施工方的作弊空间， 提高施工方选择正常建 设的积极性， 而且能促使工程提前投入使用 ， 尽快收回投资。 ( 3 )完善我国现有监理制度 ， 建立行业 自律机制， 形成公 平、 公正、 诚信的职业操守和价值观， 且行业协会应对信息的披 露做出系列、 明确和具有可操作性的约定 ， 提高信息透明度， 为 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 对 比不同流量情况下的进出桩温度表明， 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； 在 1 m h内， 虽然进 出桩温差变化较大， 但单位时间内地下埋管换热器向混凝土桩的传热量相差很小。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 参考文献： I C h o i J C ， K i m SD， H a n GY H e a t tr a n s f e c t c h a r a c t e r i s t ic s i nlo w t e m p e r a t u r e l a t e n t h e a t s t o r a g e s y s t e m s u s i n g s a l t h y d r a t e s a t h e a t r e c o v e r y s ta g e J J S da r En e r g y Ma t e r S o l a r Ce ll s ， 1 9 9 6， 们 ( 1 ) ： 7 18 7 2 肖敏， 龚克成 良导热、 形状保持相变蓄热材料的制备及性能 J 太阳能学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 4) ： 4 2 7 4 3 0 3 沈维道， 郑佩芝 工程热力学 M 2 版 北京： 高等教育出版社， 1 9 8 3 4 余昌铭 热传导及数值分析 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 8 1 5 中华人民共和国建设部 c J 1 2 8 -2 0 0 0热量表 s 北京 ： 中华人 民共和 国 建设部 ， 2 0 0 1 6 陈晓东， 金旭， 管彦武， 等 长春地区地表温度 日变、 年变对地温测量的影响 J 地球物理学进展， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 3 ) ： 1 0 0 8 1 0 1 1 【 责任编辑栗志】 监理人员提供健康有序的平台。 同时， 应对监理方采取合理的 奖惩措施， 在一定程度上提高监理进行认真监理行为的有利空 间， 提高其积极性和有效性。 ( 4 )加强业主监督机制。 通过对边界 函数的分析可以看 出 ， 业主对监理方的失职行为处罚 越大 ， 其监 管的努力水平 n 越大， 业主监管的有利空间也越大， 这将会更好地促使监理方 选择认真监理行为。 因此， 在工程建设的实际操作中， 业主应加 强监督管理工作， 并建立 良好的信息传输机制 ， 有效地抑制第 三方的失职行为， 确保工程项 目的顺利完成。 参考文献： 1 徐鼎 项 目 建设期道德风险的博弈分析研究 J 中国软科学。 1 9 9 9 ( 2 ) ： 8 l一8 4 2 任玉珑， 吴国生， 许劲， 等 工程项 目参与主体行为的经济学分析 J 重庆 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 o o 4 ( 4 ) ： 1 4 2 1 4 5 3 刘贵文， 胡国桥 信息不对称与工程项 目建设 J 生产力研究， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 6 46 6 4 张化强， 张化锋 工程监理寻租行为的博弈分析 J 建筑经济， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 3 81 3 9 5 李建峰， 王娇 建设项 目全寿命期管理模式及其博弈分析 J 山西建筑， 2 0 0 7( 5 )： 1 7 51 7 6 6 侯艳红， 王慧敏 跨流域供水商间联合定价博弈模型研究 J 人民黄河， 2 0 0 8， 3 0( 1 )： 4 75 0 【 责任编辑赵宏伟】 l Ol 咖 咖 隧誓 拗 m m 猢 ； 笔 墨 鬣譬_