混凝土儲熱樁雙U型埋管間歇儲熱溫度場的FLUENT模擬*

趙嵩穎 張柏林

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

混凝土樁儲熱技術(shù)是在樁內(nèi)部埋設(shè)換熱管，利用換熱管與土壤進(jìn)行換熱，把白天太陽能集熱器收集到的能量儲存在土壤中.樁內(nèi)換熱管埋設(shè)方式［1］是混凝土儲熱樁系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，其換熱性能將影響土壤源熱泵的效率.本文以非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱［2］為基礎(chǔ)，建立雙U型混凝土儲熱樁與土壤換熱的數(shù)學(xué)模型［3］，通過模擬樁內(nèi)換熱器的工作情況，得出連續(xù)加熱8 h，儲熱16 h工況下，混凝土儲熱樁周圍土壤的溫度云圖，以及各交界面的熱流量.

1 gambit建模

1.1 幾何建模

模型選定混凝土樁長為12 m，直徑為300 mm，土壤半徑為5 m，U型管外徑為32 mm，內(nèi)徑為25 mm的PEX管.U型管兩管中心距為120 mm.圖1為樁內(nèi)埋管的幾何模型示意圖，圖2為整個求解區(qū)域的幾何模型示意圖.

圖1 樁內(nèi)埋管幾何模型示意圖

圖2 求解區(qū)域幾何模型示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分直接影響方程的離散化程度和數(shù)值的收斂性與準(zhǔn)確性.U型管水流入口處，首層網(wǎng)格厚取0.04 mm，倍增系數(shù)為1.2，層數(shù)為5;U型管彎管處網(wǎng)格間距為0.5 mm，管長方向網(wǎng)格間距為0.2 m.混凝土樁在U型管彎管以上部分采取cooper方法，劃分為六面體網(wǎng)格;彎管以下部分采取TGrid方法，劃分為四面體網(wǎng)格.土壤部分劃分為六面體網(wǎng)格.圖3為U型管入口、出口網(wǎng)格劃分平面圖，圖4為整個求解區(qū)域網(wǎng)格劃分圖.

圖3 U型管入口、出口網(wǎng)格劃分平面圖

圖4 求解區(qū)域網(wǎng)格劃分圖

2 FLUENT模擬計(jì)算

2.1 模擬參數(shù)

混凝土樁加熱和儲熱是復(fù)雜時(shí)變過程，設(shè)定初始地層溫度為12℃，入口溫度35℃，流速0.6 m/s，加熱階段溫度分布見圖5和圖6，相關(guān)的模擬參數(shù)見表1.

表1 主要參數(shù)

圖5 加熱階段埋管深度6m處的溫度分布云圖

圖6 加熱階段垂直向溫度分布云圖

表2 加熱階段各壁面的熱流量

2.2 儲熱階段

白天加熱結(jié)束后，控制入口流速為0 m/s，進(jìn)行儲熱計(jì)算模擬，得到儲熱1 h，5 h，10 h，16 h后的溫度分布及熱流量.圖7為儲熱階段混凝土儲熱樁垂直向溫度分布云圖，表3為儲熱階段各壁面的熱流量.

圖7 儲熱階段垂直向溫度分布云圖

表3 儲熱階段各壁面的熱流量

3 結(jié)論

混凝土儲熱樁雙U型埋管換熱器在加熱過程中，徑向溫度場的變化規(guī)律隨著離U型管的距離和加熱時(shí)間有顯著變化，離U型管越近溫度越高，作用半徑隨時(shí)間增加逐漸增大，但作用效果隨時(shí)間增加而放慢，即單位熱作用長度所需時(shí)間增大.

(1)通過對加熱過程混凝土儲熱樁垂直方向溫度云圖的分析，混凝土儲熱樁在豎直方向溫度場隨埋管深度幾乎沒有變化;

(2)通過對儲熱階段溫度云圖的分析，在儲熱階段盡管管內(nèi)的水不再流動，但由于加熱后混凝土樁和周圍土壤已經(jīng)有溫度差存在，熱作用半徑還在擴(kuò)大.這表明在實(shí)際工程中利用太陽能對混凝土儲熱樁進(jìn)行間歇儲熱是可行的;

(3)在加熱階段通過管壁的熱流量隨加熱時(shí)間增加而減少，通過混凝土側(cè)壁的熱流量在5 h～8 h間存在最大值，這說明如果白天使用太陽能集熱器給混凝土儲熱樁加熱，夜間儲熱換熱是可以實(shí)現(xiàn)的.

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

［2］吳國忠，張久龍.埋地管道傳熱計(jì)算［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003:16-42.

［3］趙嵩穎，陳晨，白莉.混凝土樁儲熱技術(shù)研究及經(jīng)濟(jì)性分析［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29(3):48-50.