能量桩储热试验与数值模拟研究

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1、能量桩储热试验与数值模拟研究作者：赵嵩颖专业：地质工程导师：陈晨摘要“十二五”时期，节能减排工作进入攻坚期。中国已成为全球第一能源消费大国。建筑能耗占社会总能耗的30%左右，是能源消耗增长最快的领域，特别是北方地区建筑能耗占全国城镇建筑用能的40％以上，并呈逐渐上升趋势。而我国能源结构主要依赖煤炭等化石燃料，煤炭燃烧排放的烟尘、CO2等所带来的环境污染问题备受全球瞩目。因此，清洁能源的开发和利用已迫在眉睫。随之，地源热泵系统凭借节约能源、减少污染物排放等优势已成为清洁能源的一种主要形式，然而其缺点也尤为凸显。首先，地源

2、热泵系统需地下敷设换热管，敷设换热管须考虑地下开钻换热井，施工造价较高，换热管埋地越深，造价越高。其次，打井还须考虑地质情况，如换热井开钻在岩石土层，打井费用将占整个换热系统造价的1/3；如换热井开钻在特殊复杂地层，打井费用将占整个换热系统造价的1/2，这大大增加地源热泵系统的工程造价。最后，地源热泵系统打井工作流程在建筑桩基之前，工作时间较长，可缩短施工进度，对施工作业面和外网配套管线施工进程带来巨大影响。综合以上，本文提出能量桩技术可减少地源热泵系统的换热井施工工艺。能量桩储热技术是把埋设在地下的混凝土桩基变成储热

3、换热地源热泵系统的一部分，在基桩中埋设换热管，把基桩作为换热井，把换热管埋设在基桩中，通过集水管和热泵系统相连，能量桩和周围土壤相互传递热量。这样既可减少地源热泵系统的打井环节，可也减少换热井的灌浆回填工序，此技术的实施，在施工过程中可大大降低工程造价，缩短施工周期，节约土地。该技术提供了一种新的供暖形式，可减少采暖费用，并能有效降低由采暖燃煤带来的环境污染，若能广泛推广将能带来良好的经济效益和社会效应。本文主要针对以下几个方面展开研究工作：I首先，由于换热管埋设在混凝土基桩中，破坏了基桩的力学承载力，对建筑物的安全产

4、生危害，因此，充分考虑混凝土桩的结构稳定性、传热优良性，开展对基桩材料的选取，利用正交法对能量桩材料的配合比进行试验研究，得出能量桩最优材料配合比，制作混凝土试验块，对混凝土试验块进行抗压静荷载试验和劈裂试验，验证能量桩的混凝土配合比。试验结果表明：钢纤维作为增强材料，对储热桩承载增强是可行的，且在配比合理的情况下，增强后的桩体完全可满足原有设计要求；普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥作为能量桩的胶凝材料均可行；通过试验验证，复合硅酸盐水泥作为胶凝材料可更好的满足混凝土基桩性能的各项要求。工业石墨及废铜矿渣作为导热材料的掺

5、入，能很好改善桩体导热性能，但同时也会降低桩的力学性能，要控制在一定范围内，不可为提高桩体导热系数而加入大量石墨。其次，建立能量桩埋管换热器储热温度场物理模型和数学模型，并利用Fluent软件对温度场进行仿真模拟。经一系列不同桩直径、不同埋管间距的单桩储热模拟，得出桩直径为300mm，换热管进出口埋管间距为120mm的能量桩储热效果最好。单桩模拟时，单桩的热影响半径能达到1.5m；在能量桩连续储热过程中，基桩周围的土壤温度升高。从横向看，能量桩的作用范围呈圆环形分布，从纵向看，能量桩的作用范围呈枣核形分布。另外，在混凝

6、土材料配比研究基础上，建立能量桩储热试验平台，研究能量桩储热过程能量桩内外及土壤的温度场变化，热量传导规律。通过能量单桩储热试验，表明试验中，埋深在0.65m处获得的试验数据受外界干扰较小，对模拟研究地下能量桩储热过程研究有较大参考价值；储热初始阶段能量桩进出口温差能达到1℃，对于桩长12m，单U型埋管能量桩换热系统的进出口温差可达到10℃。最后，对比分析仿真结果和试验结果，分析能量桩储热过程能量桩内外及土壤的温度变化规律，确定合理的储热模型。关键词：能量桩，储热，纤维增强材料，温度场IIAbstractDuringt

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

8、hemostrapidlyinenergyandresourceconsumption,especiallynorthernarchitecturalconsumptionoccupiesover40percentofthatinurbanandruralareasnationwideandshowsatrendofgradual