赵嵩颖 张柏林

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

混凝土桩储热技术是在桩内部埋设换热管，利用换热管与土壤进行换热，把白天太阳能集热器收集到的能量储存在土壤中.桩内换热管埋设方式［1］是混凝土储热桩系统研究的重点，其换热性能将影响土壤源热泵的效率.本文以非稳态导热［2］为基础，建立双U型混凝土储热桩与土壤换热的数学模型［3］，通过模拟桩内换热器的工作情况，得出连续加热8 h，储热16 h工况下，混凝土储热桩周围土壤的温度云图，以及各交界面的热流量.

1 gambit建模

1.1 几何建模

模型选定混凝土桩长为12 m，直径为300 mm，土壤半径为5 m，U型管外径为32 mm，内径为25 mm的PEX管.U型管两管中心距为120 mm.图1为桩内埋管的几何模型示意图，图2为整个求解区域的几何模型示意图.

图1 桩内埋管几何模型示意图

图2 求解区域几何模型示意图

1.2 网格划分

网格划分直接影响方程的离散化程度和数值的收敛性与准确性.U型管水流入口处，首层网格厚取0.04 mm，倍增系数为1.2，层数为5;U型管弯管处网格间距为0.5 mm，管长方向网格间距为0.2 m.混凝土桩在U型管弯管以上部分采取cooper方法，划分为六面体网格;弯管以下部分采取TGrid方法，划分为四面体网格.土壤部分划分为六面体网格.图3为U型管入口、出口网格划分平面图，图4为整个求解区域网格划分图.

图3 U型管入口、出口网格划分平面图

图4 求解区域网格划分图

2 FLUENT模拟计算

2.1 模拟参数

混凝土桩加热和储热是复杂时变过程，设定初始地层温度为12℃，入口温度35℃，流速0.6 m/s，加热阶段温度分布见图5和图6，相关的模拟参数见表1.

表1 主要参数

图5 加热阶段埋管深度6m处的温度分布云图

图6 加热阶段垂直向温度分布云图

表2 加热阶段各壁面的热流量

2.2 储热阶段

白天加热结束后，控制入口流速为0 m/s，进行储热计算模拟，得到储热1 h，5 h，10 h，16 h后的温度分布及热流量.图7为储热阶段混凝土储热桩垂直向温度分布云图，表3为储热阶段各壁面的热流量.

图7 储热阶段垂直向温度分布云图

表3 储热阶段各壁面的热流量

3 结论

混凝土储热桩双U型埋管换热器在加热过程中，径向温度场的变化规律随着离U型管的距离和加热时间有显著变化，离U型管越近温度越高，作用半径随时间增加逐渐增大，但作用效果随时间增加而放慢，即单位热作用长度所需时间增大.

(1)通过对加热过程混凝土储热桩垂直方向温度云图的分析，混凝土储热桩在竖直方向温度场随埋管深度几乎没有变化;

(2)通过对储热阶段温度云图的分析，在储热阶段尽管管内的水不再流动，但由于加热后混凝土桩和周围土壤已经有温度差存在，热作用半径还在扩大.这表明在实际工程中利用太阳能对混凝土储热桩进行间歇储热是可行的;

(3)在加热阶段通过管壁的热流量随加热时间增加而减少，通过混凝土侧壁的热流量在5 h～8 h间存在最大值，这说明如果白天使用太阳能集热器给混凝土储热桩加热，夜间储热换热是可以实现的.

［1］Bose JE，Pa rker JD.Ground coup led heat pump research［J］.Ashrae Transactions，1993，16(03):175-180.

［2］吴国忠，张久龙.埋地管道传热计算［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003:16-42.

［3］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.