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1、能源樁換熱性能及儲熱數(shù)值模擬研究NumericalSimulationofenergypileheattransferandthermalstorage工程領域：水利工程作者姓名：李永杰指導教師：戚藍教授企業(yè)導師：遲守旭高工天津大學建筑工程學院二零一七年十一月摘要能源樁是將傳統(tǒng)埋管地源熱泵系統(tǒng)與建筑物樁基結(jié)合起來的一種特殊地源熱泵技術，能源樁利用樁基較大的換熱截面和混凝土材料較好的導熱性能兩大技術優(yōu)勢，比傳統(tǒng)埋管換熱效率更高，換熱性能更好；能源樁施工與建筑物樁基施工同步，換熱器埋置于樁基內(nèi)部，減少了鉆
2、孔和回填材料成本費用，進而體現(xiàn)其經(jīng)濟上的優(yōu)勢；在寸土寸金的城市地下空間利用中，能源樁技術的應用體現(xiàn)了其廣闊的市場前景。雖然能源樁技術有許多優(yōu)點，但其大規(guī)模應用與推廣仍存在兩方面的問題，一方面能源樁換熱性能評價不夠全面，另一方面能源樁儲熱系統(tǒng)在不同注采方案下儲熱效果及結(jié)構(gòu)熱力學響應缺少相應的研究。針對以上兩方面的問題，本文采用數(shù)值分析方法研究了能源樁的換熱性能及儲熱效果和結(jié)構(gòu)熱力學響應。研究內(nèi)容如下：（1）能源樁系統(tǒng)的運行過程是一個多物理場耦合的過程，包括換熱器中循環(huán)工質(zhì)的流動及溫度變化，樁體及樁周巖土
3、體溫度場和結(jié)構(gòu)場變化，樁基所處地下滲流環(huán)境影響。本文在前人研究的基礎上建立了能源樁雙流熱耦合及熱流固耦合數(shù)學模型，通過對前人模型試驗數(shù)值模擬，進而驗證所建數(shù)學模型及耦合方式的正確性和可行性。（2）利用所建立的能源樁雙流熱耦合數(shù)學模型對足尺度能源樁幾何模型進行數(shù)值計算，分析了能源樁換熱性能的影響因素，諸如：循環(huán)工質(zhì)注入溫度、循環(huán)工質(zhì)流速、樁身材料、樁周巖土體、換熱器材料導熱系數(shù)、支管間距、初始地溫、換熱器內(nèi)徑及管壁厚度、樁徑及樁深、運行模式、地下水流速等對能源樁換熱性能的影響，可為能源樁基的設計提供參考
4、。（3）利用所建立的能源樁熱流固耦合數(shù)學模型對能源樁儲熱系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，采用四種不同注采方案對能源樁施加溫度荷載并同時考慮樁基結(jié)構(gòu)力學荷載，分析了不同注采方案下儲能系統(tǒng)內(nèi)部溫度場變化，分析了樁體應力對溫度的敏感性、單群樁施加荷載時樁頂（底）位移變化及不同滲透率條件下樁周土體應力場變化，可為能源樁儲能系統(tǒng)運行方案的優(yōu)化提供理論依據(jù)。關鍵詞：能源樁；換熱性能；儲熱；熱流固耦合；數(shù)值模擬IABSTRACTEnergypipeisaspecialgroundsourceheatpumptechnologyw
5、hichcombinedthetraditionalgroundsourceheatpumpsystemwithpilefoundation,Energypipetechnologywithtwomajortechnicaladvantageswhicharelargeheattransfercrosssectionofpilefoundationandconcretematerialswithgoodthermalconductivity.Comparedwiththetraditionalheat
6、exchanger,energypipewithhigherefficiency,betterheattransferperformance.Energypileconstructionissynchronizedwiththebuildingpilefoundationconstruction,andtheheatexchangerisembeddedinthepilefoundation,reducedrillingcostandbackfillmaterial,whichreflectsitse
7、conomicadvantage.Inthelandofthecityundergroundspaceutilization,applicationofenergypiletechnologyreflectsitsbroadmarketprospects.Althoughtheenergypiletechnologyhasalotofadvantagesbutitslarge-scaleapplicationandpopularizationstillhavetwoproblems,energypil
8、eheattransferperformanceevaluationisnotcomprehensiveenough,ontheotherhand,theenergypilethermalstoragesystemunderdifferentinjectionthermodynamicheatstorageeffectandstructureofthecorrespondingresponselackofresearch.Inviewoftheabove
