混凝土樁儲熱技術(shù)研究及經(jīng)濟(jì)性分析*

趙嵩穎 陳 晨 白 莉

(1:吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026;2:吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

1 土壤儲熱技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對土壤源儲熱技術(shù)開展了大量的研究.山東建筑大學(xué)對太陽能-土壤源熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)及天津大學(xué)等對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)也進(jìn)行了大量研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)姚楊教授的“土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)的應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目獲得國家自然科學(xué)基金資助.地下土壤儲熱技術(shù)，有效地解決了無水或無巖石地區(qū)的地下儲熱難題，為儲熱技術(shù)的推廣提供了保障.但土壤源儲熱具有以下缺陷:土壤源熱泵打井所需場地面積較大，其與建筑面積比例關(guān)系約為1∶1，打井時(shí)間長約為2個(gè)月，與現(xiàn)場施工沖突較大，影響正常施工進(jìn)度，擠占施工作業(yè)面，影響外網(wǎng)配套管線的布置與施工，投資額度大，其中打井費(fèi)用占整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)比重較高(簡單軟土層15%～20%、巖石土層30%～35%、特殊復(fù)雜地層45%～50%甚至更高)，特別是一些復(fù)雜地質(zhì)條件下，高比重的管井費(fèi)用直接增加了整體的成本，也加大了技術(shù)含量.國內(nèi)土壤源熱泵系統(tǒng)管井的深度一般在30 m～150 m，當(dāng)埋深超過80 m以后，單位埋深初投資將會(huì)迅速提高.

2 混凝土樁儲熱技術(shù)理論分析

混凝土樁儲熱技術(shù)是在混凝土樁內(nèi)部埋設(shè)換熱管，混凝土儲熱樁的直徑遠(yuǎn)大于土壤源熱泵換熱井的直徑，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)高于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，使得混凝土樁的換熱性能優(yōu)于土壤源熱泵技術(shù);同時(shí)利用地下混凝土樁儲熱，可省去常規(guī)的土壤源換熱管打井及灌漿回填工序，從根本上避免因打井造成的施工費(fèi)用，是高效開發(fā)與利用地下熱能的一種新方法.

2.1 混凝土樁儲熱的數(shù)學(xué)模型

混凝土樁儲熱埋管可以看作是一個(gè)均勻的熱線源，以恒定熱流向周圍傳熱，太陽能-混凝土儲熱樁儲熱系統(tǒng)傳熱過程簡化條件如下:

(1)將混凝土樁近似看成無限大的傳熱介質(zhì)，具有相同初始溫度;

(2)混凝土樁熱物性均勻，熱物性參數(shù)不隨溫度變化而變化;

(3)忽略埋管換熱器幾何尺寸，看成線熱源;

(4)埋管換熱器與周圍混凝土的換熱強(qiáng)度保持不變.

根據(jù)以上假設(shè)條件，把混凝土樁內(nèi)埋管傳熱問題簡化，樁儲熱系統(tǒng)的控制方程、初始條件和邊界條件為:

式中，db為換熱管直徑，m;cs為混凝土比熱，J/(kg·℃);λs為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mk);q為單位長度線熱源熱流強(qiáng)度，W/m;T為溫度，℃;ρs為混凝土的密度，kg/m3;T0為未擾動(dòng)混凝土溫度，℃;t為時(shí)間，s.

2.2 混凝土樁儲熱系統(tǒng)

混凝土樁儲熱系統(tǒng)，如圖1，主要包括混凝土儲熱樁系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、室內(nèi)末端系統(tǒng)、太陽能集熱器系統(tǒng)、樁埋管換熱器系統(tǒng)、自動(dòng)加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄采集系統(tǒng).

圖1 太陽能-混凝土儲熱樁蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)［1］

圖2 換熱管埋設(shè)在樁基內(nèi)

2.3 混凝土樁基埋管的幾種形式

換熱管埋設(shè)在建筑物樁基內(nèi)，如圖2.樁基用混凝土澆實(shí)后換熱管與樁基混凝土融為一體，由換熱管與周圍土壤熱交換變?yōu)闃痘炷翝仓w與土壤熱交換，擴(kuò)大了換熱管與周圍土壤熱交換面積，也增強(qiáng)熱交換效率，樁基內(nèi)換熱管埋設(shè)方式一般可分為4種形式，W型、單U型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型，如圖3所示［2］.

2.4 不同埋管形式的傳熱性能對比

不同埋管形式的系統(tǒng)換熱量公式為:

式中，Q為地埋管放熱量，W;ρ為混凝土的密度，kg/m3;cp為水的比熱，J/(kg·℃);G為水的體積流量，m3/s;tin為進(jìn)口溫度，℃;tout為出口溫度，℃.混凝土樁埋管系統(tǒng)額定進(jìn)口水溫為35℃，管內(nèi)流速0.3m/s，可得單位樁深的不同埋管形式放熱量，見圖4.如果以單U型換熱管為基準(zhǔn)，W型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型的放熱量分別為單U型換熱管放熱量的1.44倍、1.55倍、1.87倍［3］.

圖3 四種埋管形式

圖4 不同埋管形式的傳熱性能對比

3 混凝土樁儲熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

地下儲熱是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，采用混凝土樁儲熱，可通過在建筑物鋼筋混凝土灌注樁中埋設(shè)各種形狀的管狀換熱器裝置進(jìn)行承載、擋土支護(hù)、地基加固，同時(shí)也可以進(jìn)行淺層低溫地?zé)崮苻D(zhuǎn)換，起到樁基和地源熱泵預(yù)成孔直接埋設(shè)管狀換熱器的雙重作用.這樣也就省卻打井工序，節(jié)約施工費(fèi)用，更能有效的利用建筑物底板下的面積.

以建筑面積為10 000 m2，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)的5層框架結(jié)構(gòu)建筑為研究對象，在長春地區(qū)用集熱面積為340 m2的太陽能裝置，每年單位集熱面積采集到的太陽能約為9.36 MJ/m2，如采用間距為6 m，深度為100 m，直徑為150 mm的換熱井.每口換熱井周圍的土壤儲熱區(qū)域考慮為圓柱體，在中心處溫度最高，沿著半徑方向，溫差逐漸降低，在半徑為3 m處儲熱區(qū)域的土壤溫度與周圍土壤溫度相同.那么，每口換熱井儲熱區(qū)域的儲熱量為［4］:

式中，cp為土壤的定壓比熱容，J/(kg·k);ρ為土壤的密度，kg/m3;h為儲熱區(qū)域高度，m;r為儲熱區(qū)域的半徑，m;ΔTmax為儲熱區(qū)域與周圍土壤的最大溫差，℃.設(shè)定ΔTmax=20℃計(jì)算，得出一個(gè)儲熱區(qū)域儲熱量為12 ×103kJ.

考慮冬季供暖期太陽能當(dāng)天被消耗掉，不需儲存，則10 000 m2的居住建筑利用160口井即可滿足全年的儲熱要求.當(dāng)采用混凝土樁儲熱時(shí)，該建筑物采用柱下樁基形式，一個(gè)承臺下布置4個(gè)樁，每個(gè)樁直徑，樁距選擇，樁長12 m，建筑物共有45個(gè)柱，共180個(gè)樁，每個(gè)樁換熱管采用并聯(lián)雙管埋設(shè)，保守估算該10 000 m2的居住建筑可以減少的打井工作量，長春地區(qū)特殊復(fù)雜地層居多，打井費(fèi)用之間，取費(fèi)用下限，該建筑每平方米建筑面積可省去打井費(fèi)用40元.

4 結(jié)語

“十二五”末吉林省地源熱泵總應(yīng)用面積要達(dá)到800萬，如采用太陽能-混凝土儲熱樁儲熱技術(shù)，吉林省“十二五”期間將至少節(jié)省3.2億元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益巨大.

［1］黃晟輝，趙大軍，馬銀龍.太陽能跨季節(jié)地下儲熱技術(shù)［J］.煤氣與熱力，2010(12):29-31.

［2］李守圣.地下混凝土儲熱樁熱能存儲試驗(yàn)與研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2010.

［3］劉 俊，張 旭，高 軍，李魁山.地源熱泵樁基埋管傳熱性能測試與數(shù)值模擬研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2009(6):729-731.

［4］趙 偉，趙大軍，吳曉寒.太陽能地下土壤儲熱技術(shù)［J］.煤氣與熱力，2007(10):75-76.