能量樁儲熱試驗與數(shù)值模擬研究

《能量樁儲熱試驗與數(shù)值模擬研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。

1、能量樁儲熱試驗與數(shù)值模擬研究作者：趙嵩穎專業(yè)：地質工程導師：陳晨摘要“十二五”時期，節(jié)能減排工作進入攻堅期。中國已成為全球第一能源消費大國。建筑能耗占社會總能耗的30%左右，是能源消耗增長最快的領域，特別是北方地區(qū)建筑能耗占全國城鎮(zhèn)建筑用能的40％以上，并呈逐漸上升趨勢。而我國能源結構主要依賴煤炭等化石燃料，煤炭燃燒排放的煙塵、CO2等所帶來的環(huán)境污染問題備受全球矚目。因此，清潔能源的開發(fā)和利用已迫在眉睫。隨之，地源熱泵系統(tǒng)憑借節(jié)約能源、減少污染物排放等優(yōu)勢已成為清潔能源的一種主要形式，然而其缺點也尤為凸顯。首先，地源

2、熱泵系統(tǒng)需地下敷設換熱管，敷設換熱管須考慮地下開鉆換熱井，施工造價較高，換熱管埋地越深，造價越高。其次，打井還須考慮地質情況，如換熱井開鉆在巖石土層，打井費用將占整個換熱系統(tǒng)造價的1/3；如換熱井開鉆在特殊復雜地層，打井費用將占整個換熱系統(tǒng)造價的1/2，這大大增加地源熱泵系統(tǒng)的工程造價。最后，地源熱泵系統(tǒng)打井工作流程在建筑樁基之前，工作時間較長，可縮短施工進度，對施工作業(yè)面和外網(wǎng)配套管線施工進程帶來巨大影響。綜合以上，本文提出能量樁技術可減少地源熱泵系統(tǒng)的換熱井施工工藝。能量樁儲熱技術是把埋設在地下的混凝土樁基變成儲熱

3、換熱地源熱泵系統(tǒng)的一部分，在基樁中埋設換熱管，把基樁作為換熱井，把換熱管埋設在基樁中，通過集水管和熱泵系統(tǒng)相連，能量樁和周圍土壤相互傳遞熱量。這樣既可減少地源熱泵系統(tǒng)的打井環(huán)節(jié)，可也減少換熱井的灌漿回填工序，此技術的實施，在施工過程中可大大降低工程造價，縮短施工周期，節(jié)約土地。該技術提供了一種新的供暖形式，可減少采暖費用，并能有效降低由采暖燃煤帶來的環(huán)境污染，若能廣泛推廣將能帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效應。本文主要針對以下幾個方面展開研究工作：I首先，由于換熱管埋設在混凝土基樁中，破壞了基樁的力學承載力，對建筑物的安全產

4、生危害，因此，充分考慮混凝土樁的結構穩(wěn)定性、傳熱優(yōu)良性，開展對基樁材料的選取，利用正交法對能量樁材料的配合比進行試驗研究，得出能量樁最優(yōu)材料配合比，制作混凝土試驗塊，對混凝土試驗塊進行抗壓靜荷載試驗和劈裂試驗，驗證能量樁的混凝土配合比。試驗結果表明：鋼纖維作為增強材料，對儲熱樁承載增強是可行的，且在配比合理的情況下，增強后的樁體完全可滿足原有設計要求；普通硅酸鹽水泥或復合硅酸鹽水泥作為能量樁的膠凝材料均可行；通過試驗驗證，復合硅酸鹽水泥作為膠凝材料可更好的滿足混凝土基樁性能的各項要求。工業(yè)石墨及廢銅礦渣作為導熱材料的摻

5、入，能很好改善樁體導熱性能，但同時也會降低樁的力學性能，要控制在一定范圍內，不可為提高樁體導熱系數(shù)而加入大量石墨。其次，建立能量樁埋管換熱器儲熱溫度場物理模型和數(shù)學模型，并利用Fluent軟件對溫度場進行仿真模擬。經(jīng)一系列不同樁直徑、不同埋管間距的單樁儲熱模擬，得出樁直徑為300mm，換熱管進出口埋管間距為120mm的能量樁儲熱效果最好。單樁模擬時，單樁的熱影響半徑能達到1.5m；在能量樁連續(xù)儲熱過程中，基樁周圍的土壤溫度升高。從橫向看，能量樁的作用范圍呈圓環(huán)形分布，從縱向看，能量樁的作用范圍呈棗核形分布。另外，在混凝

6、土材料配比研究基礎上，建立能量樁儲熱試驗平臺，研究能量樁儲熱過程能量樁內外及土壤的溫度場變化，熱量傳導規(guī)律。通過能量單樁儲熱試驗，表明試驗中，埋深在0.65m處獲得的試驗數(shù)據(jù)受外界干擾較小，對模擬研究地下能量樁儲熱過程研究有較大參考價值；儲熱初始階段能量樁進出口溫差能達到1℃，對于樁長12m，單U型埋管能量樁換熱系統(tǒng)的進出口溫差可達到10℃。最后，對比分析仿真結果和試驗結果，分析能量樁儲熱過程能量樁內外及土壤的溫度變化規(guī)律，確定合理的儲熱模型。關鍵詞：能量樁，儲熱，纖維增強材料，溫度場IIAbstractDuringt

7、heperiodoftheTwelfthFive-yearPlan,theworkforsavingenergyandreducingemissionwillgetintoahardtime.Chinahasbeenthebiggestcountryinenergyandresourceconsuming.Itsarchitecturalenergyconsumingoccupies30percentofthetotalenergyconsumption,havingbeenthefieldthatincreasest

8、hemostrapidlyinenergyandresourceconsumption,especiallynorthernarchitecturalconsumptionoccupiesover40percentofthatinurbanandruralareasnationwideandshowsatrendofgradual