混凝土桩储热技术研究及经济性分析*

赵嵩颖 陈 晨 白 莉

(1:吉林大学建设工程学院，长春 130026;2:吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130118)

1 土壤储热技术现状

近年来，国内外对土壤源储热技术开展了大量的研究.山东建筑大学对太阳能-土壤源热泵供暖的经济性进行了分析，哈尔滨工业大学、吉林大学及天津大学等对太阳能-土壤源热泵系统也进行了大量研究，哈尔滨工业大学姚杨教授的“土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的应用的基础研究”项目获得国家自然科学基金资助.地下土壤储热技术，有效地解决了无水或无岩石地区的地下储热难题，为储热技术的推广提供了保障.但土壤源储热具有以下缺陷:土壤源热泵打井所需场地面积较大，其与建筑面积比例关系约为1∶1，打井时间长约为2个月，与现场施工冲突较大，影响正常施工进度，挤占施工作业面，影响外网配套管线的布置与施工，投资额度大，其中打井费用占整个系统造价比重较高(简单软土层15%～20%、岩石土层30%～35%、特殊复杂地层45%～50%甚至更高)，特别是一些复杂地质条件下，高比重的管井费用直接增加了整体的成本，也加大了技术含量.国内土壤源热泵系统管井的深度一般在30 m～150 m，当埋深超过80 m以后，单位埋深初投资将会迅速提高.

2 混凝土桩储热技术理论分析

混凝土桩储热技术是在混凝土桩内部埋设换热管，混凝土储热桩的直径远大于土壤源热泵换热井的直径，混凝土的导热系数高于土壤的导热系数，使得混凝土桩的换热性能优于土壤源热泵技术;同时利用地下混凝土桩储热，可省去常规的土壤源换热管打井及灌浆回填工序，从根本上避免因打井造成的施工费用，是高效开发与利用地下热能的一种新方法.

2.1 混凝土桩储热的数学模型

混凝土桩储热埋管可以看作是一个均匀的热线源，以恒定热流向周围传热，太阳能-混凝土储热桩储热系统传热过程简化条件如下:

(1)将混凝土桩近似看成无限大的传热介质，具有相同初始温度;

(2)混凝土桩热物性均匀，热物性参数不随温度变化而变化;

(3)忽略埋管换热器几何尺寸，看成线热源;

(4)埋管换热器与周围混凝土的换热强度保持不变.

根据以上假设条件，把混凝土桩内埋管传热问题简化，桩储热系统的控制方程、初始条件和边界条件为:

式中，db为换热管直径，m;cs为混凝土比热，J/(kg·℃);λs为混凝土的导热系数，W/(mk);q为单位长度线热源热流强度，W/m;T为温度，℃;ρs为混凝土的密度，kg/m3;T0为未扰动混凝土温度，℃;t为时间，s.

2.2 混凝土桩储热系统

混凝土桩储热系统，如图1，主要包括混凝土储热桩系统、热泵系统、室内末端系统、太阳能集热器系统、桩埋管换热器系统、自动加热系统和数据记录采集系统.

图1 太阳能-混凝土储热桩蓄热供暖(冷)系统［1］

图2 换热管埋设在桩基内

2.3 混凝土桩基埋管的几种形式

换热管埋设在建筑物桩基内，如图2.桩基用混凝土浇实后换热管与桩基混凝土融为一体，由换热管与周围土壤热交换变为桩基混凝土浇筑体与土壤热交换，扩大了换热管与周围土壤热交换面积，也增强热交换效率，桩基内换热管埋设方式一般可分为4种形式，W型、单U型、并联双U型、并联三U型，如图3所示［2］.

2.4 不同埋管形式的传热性能对比

不同埋管形式的系统换热量公式为:

式中，Q为地埋管放热量，W;ρ为混凝土的密度，kg/m3;cp为水的比热，J/(kg·℃);G为水的体积流量，m3/s;tin为进口温度，℃;tout为出口温度，℃.混凝土桩埋管系统额定进口水温为35℃，管内流速0.3m/s，可得单位桩深的不同埋管形式放热量，见图4.如果以单U型换热管为基准，W型、并联双U型、并联三U型的放热量分别为单U型换热管放热量的1.44倍、1.55倍、1.87倍［3］.

图3 四种埋管形式

图4 不同埋管形式的传热性能对比

3 混凝土桩储热技术经济性分析

地下储热是地源热泵系统的重要组成部分，采用混凝土桩储热，可通过在建筑物钢筋混凝土灌注桩中埋设各种形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固，同时也可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用.这样也就省却打井工序，节约施工费用，更能有效的利用建筑物底板下的面积.

以建筑面积为10 000 m2，基础采用桩基础的5层框架结构建筑为研究对象，在长春地区用集热面积为340 m2的太阳能装置，每年单位集热面积采集到的太阳能约为9.36 MJ/m2，如采用间距为6 m，深度为100 m，直径为150 mm的换热井.每口换热井周围的土壤储热区域考虑为圆柱体，在中心处温度最高，沿着半径方向，温差逐渐降低，在半径为3 m处储热区域的土壤温度与周围土壤温度相同.那么，每口换热井储热区域的储热量为［4］:

式中，cp为土壤的定压比热容，J/(kg·k);ρ为土壤的密度，kg/m3;h为储热区域高度，m;r为储热区域的半径，m;ΔTmax为储热区域与周围土壤的最大温差，℃.设定ΔTmax=20℃计算，得出一个储热区域储热量为12 ×103kJ.

考虑冬季供暖期太阳能当天被消耗掉，不需储存，则10 000 m2的居住建筑利用160口井即可满足全年的储热要求.当采用混凝土桩储热时，该建筑物采用柱下桩基形式，一个承台下布置4个桩，每个桩直径，桩距选择，桩长12 m，建筑物共有45个柱，共180个桩，每个桩换热管采用并联双管埋设，保守估算该10 000 m2的居住建筑可以减少的打井工作量，长春地区特殊复杂地层居多，打井费用之间，取费用下限，该建筑每平方米建筑面积可省去打井费用40元.

4 结语

“十二五”末吉林省地源热泵总应用面积要达到800万，如采用太阳能-混凝土储热桩储热技术，吉林省“十二五”期间将至少节省3.2亿元人民币，经济效益巨大.

［1］黄晟辉，赵大军，马银龙.太阳能跨季节地下储热技术［J］.煤气与热力，2010(12):29-31.

［2］李守圣.地下混凝土储热桩热能存储试验与研究［D］.长春:吉林大学，2010.

［3］刘 俊，张 旭，高 军，李魁山.地源热泵桩基埋管传热性能测试与数值模拟研究［J］.太阳能学报，2009(6):729-731.

［4］赵 伟，赵大军，吴晓寒.太阳能地下土壤储热技术［J］.煤气与热力，2007(10):75-76.