趙嵩穎 陳 晨 白 莉

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

1 土壤儲熱技術現(xiàn)狀

近年來，國內外對土壤源儲熱技術開展了大量的研究.山東建筑大學對太陽能-土壤源熱泵供暖的經濟性進行了分析，哈爾濱工業(yè)大學、吉林大學及天津大學等對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)也進行了大量研究，哈爾濱工業(yè)大學姚楊教授的“土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)的應用的基礎研究”項目獲得國家自然科學基金資助.地下土壤儲熱技術，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系約為1∶1，打井時間長約為2個月，與現(xiàn)場施工沖突較大，影響正常施工進度，擠占施工作業(yè)面，影響外網配套管線的布置與施工，投資額度大，其中打井費用占整個系統(tǒng)造價比重較高(簡單軟土層15%～20%、巖石土層30%～35%、特殊復雜地層45%～50%甚至更高)，特別是一些復雜地質條件下，高比重的管井費用直接增加了整體的成本，也加大了技術含量.國內土壤源熱泵系統(tǒng)管井的深度一般在30 m～150 m，當埋深超過80 m以后，單位埋深初投資將會迅速提高.

2 混凝土樁儲熱技術理論分析

混凝土樁儲熱技術是在混凝土樁內部埋設換熱管，混凝土儲熱樁的直徑遠大于土壤源熱泵換熱井的直徑，混凝土的導熱系數(shù)高于土壤的導熱系數(shù)，使得混凝土樁的換熱性能優(yōu)于土壤源熱泵技術;同時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)學模型

混凝土樁儲熱埋管可以看作是一個均勻的熱線源，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，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度保持不變.

根據(jù)以上假設條件，把混凝土樁內埋管傳熱問題簡化，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為混凝土的導熱系數(shù)，W/(mk);q為單位長度線熱源熱流強度，W/m;T為溫度，℃;ρs為混凝土的密度，kg/m3;T0為未擾動混凝土溫度，℃;t為時間，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 換熱管埋設在樁基內

2.3 混凝土樁基埋管的幾種形式

換熱管埋設在建筑物樁基內，如圖2.樁基用混凝土澆實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，擴大了換熱管與周圍土壤熱交換面積，也增強熱交換效率，樁基內換熱管埋設方式一般可分為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為進口溫度，℃;tout為出口溫度，℃.混凝土樁埋管系統(tǒng)額定進口水溫為35℃，管內流速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，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 混凝土樁儲熱技術經濟性分析

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各種形狀的管狀換熱器裝置進行承載、擋土支護、地基加固，同時也可以進行淺層低溫地熱能轉換，起到樁基和地源熱泵預成孔直接埋設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，基礎采用樁基礎的5層框架結構建筑為研究對象，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，℃.設定ΔTmax=20℃計算，得出一個儲熱區(qū)域儲熱量為12 ×103kJ.

考慮冬季供暖期太陽能當天被消耗掉，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.當采用混凝土樁儲熱時，該建筑物采用柱下樁基形式，一個承臺下布置4個樁，每個樁直徑，樁距選擇，樁長12 m，建筑物共有45個柱，共180個樁，每個樁換熱管采用并聯(lián)雙管埋設，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)特殊復雜地層居多，打井費用之間，取費用下限，該建筑每平方米建筑面積可省去打井費用40元.

4 結語

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

［1］黃晟輝，趙大軍，馬銀龍.太陽能跨季節(jié)地下儲熱技術［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與研究［D］.長春:吉林大學，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］.太陽能學報，2009(6):729-731.

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