混凝土储热桩不同埋管方式下土壤温度场的Star－ccm模拟*

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)

0 引言

混凝土桩储热技术是在桩内部埋设换热管，混凝土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，这使得混凝土桩的换热性能优于土壤源热泵技术.同时，利用混凝土桩储热，可以省去常规的土壤源换热管打井及灌浆回填工序，节省土壤源换热技术因打井增加的施工费用，是高效开发与利用地下热能的一种新方法.

1 混凝土桩换热管模型

1.1 物理模型

为了方便换热埋管的数学计算和计算机模拟，可做如下假设:不考虑地表温度对地下温度的影响;忽略埋管轴向方向的热传递影响;认为埋管和混凝土桩之间的传热为单纯导热;在计算机模拟区域内，混凝土桩中的混凝土，以及周围土壤热物性不随时间、深度和温度变化而变化.混凝土桩内的换热管埋设方式一般可分为串联W型、U型、并联双U型等多种埋设方式［1］，如图1所示.混凝土桩内埋管的物理模型如图2所示，远边界半径取5 m.

图1 换热管埋设方式

图2 桩内埋管的物理模型

1.2 数学模型

混凝土桩储热过程中，内埋管与混凝土桩之间的换热是复杂的非稳态传热过程，传热过程受多种因素影响，混凝土桩的结构、导热系数、初始热流密度、储热方式、换热管间距和能量桩直径等因素对混凝土储热效果的影响导热微分方程［2］为:

质量守恒方程:

动量守恒方程:

2 混凝土桩内不同埋管方式的star－ccm模拟

利用star－ccm软件对混凝土桩进行地下传热模拟，混凝土桩内部网格划分见图3.

取混凝土桩为直径0.3 m，桩长12 m，混凝土比热取1 100 J/(kg·℃)，导热系数取1.5 W/(m·℃)，密度取2 000 kg/m3.水比热取4 200 J/(kg·℃)，导热系数取0.64 W/(m·℃).含水粘土导热系数1.13 W/(m·℃)，比热1 200 J/(kg·℃)，密度 1 400 kg/m3.埋管换热器直径 0.025 m.初始地层温度12℃，入口温度35℃ .模拟运行12 h后的混凝土桩周围土壤水平方向温度场和垂直方向温度场如图4所示.

图3 混凝土桩内部网格划分

图4 混凝土桩不同埋管方式温度场分布图

3 结论

从star－ccm软件模拟结果看出，混凝土桩中不同的埋管方式对周围土壤温度场影响是不一样的.串联W型、单U型、并联双U型等3种埋管方式中，水平方向温度场中，并联双U型埋管对周围土壤温度变化影响最大，串联W型埋管对混凝土桩内部温度场影响最大;垂直方向温度场中，并联双U型埋管对土壤温度变化影响最大.如果将建筑物桩基集团化，采用合适的埋管方式，并结合地源热泵技术，进行浅层低温地热能转换，既可以节约施工费用，又能提高热泵效率，降低初投资，更能有效地利用建筑物底板下的面积.

［1］赵嵩颖，陈 晨，白 莉.混凝土桩储热技术研究及经济性分析［J］.吉林建筑工程学院学报，2012，29(3):48－50.

［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.