能源桩换热性能及储热数值模拟研究

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1、能源桩换热性能及储热数值模拟研究NumericalSimulationofenergypileheattransferandthermalstorage工程领域：水利工程作者姓名：李永杰指导教师：戚蓝教授企业导师：迟守旭高工天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要能源桩是将传统埋管地源热泵系统与建筑物桩基结合起来的一种特殊地源热泵技术，能源桩利用桩基较大的换热截面和混凝土材料较好的导热性能两大技术优势，比传统埋管换热效率更高，换热性能更好；能源桩施工与建筑物桩基施工同步，换热器埋置于桩基内部，减少了钻

2、孔和回填材料成本费用，进而体现其经济上的优势；在寸土寸金的城市地下空间利用中，能源桩技术的应用体现了其广阔的市场前景。虽然能源桩技术有许多优点，但其大规模应用与推广仍存在两方面的问题，一方面能源桩换热性能评价不够全面，另一方面能源桩储热系统在不同注采方案下储热效果及结构热力学响应缺少相应的研究。针对以上两方面的问题，本文采用数值分析方法研究了能源桩的换热性能及储热效果和结构热力学响应。研究内容如下：（1）能源桩系统的运行过程是一个多物理场耦合的过程，包括换热器中循环工质的流动及温度变化，桩体及桩周岩土

3、体温度场和结构场变化，桩基所处地下渗流环境影响。本文在前人研究的基础上建立了能源桩双流热耦合及热流固耦合数学模型，通过对前人模型试验数值模拟，进而验证所建数学模型及耦合方式的正确性和可行性。（2）利用所建立的能源桩双流热耦合数学模型对足尺度能源桩几何模型进行数值计算，分析了能源桩换热性能的影响因素，诸如：循环工质注入温度、循环工质流速、桩身材料、桩周岩土体、换热器材料导热系数、支管间距、初始地温、换热器内径及管壁厚度、桩径及桩深、运行模式、地下水流速等对能源桩换热性能的影响，可为能源桩基的设计提供参考

4、。（3）利用所建立的能源桩热流固耦合数学模型对能源桩储热系统进行数值模拟，采用四种不同注采方案对能源桩施加温度荷载并同时考虑桩基结构力学荷载，分析了不同注采方案下储能系统内部温度场变化，分析了桩体应力对温度的敏感性、单群桩施加荷载时桩顶（底）位移变化及不同渗透率条件下桩周土体应力场变化，可为能源桩储能系统运行方案的优化提供理论依据。关键词：能源桩；换热性能；储热；热流固耦合；数值模拟IABSTRACTEnergypipeisaspecialgroundsourceheatpumptechnologyw

5、hichcombinedthetraditionalgroundsourceheatpumpsystemwithpilefoundation,Energypipetechnologywithtwomajortechnicaladvantageswhicharelargeheattransfercrosssectionofpilefoundationandconcretematerialswithgoodthermalconductivity.Comparedwiththetraditionalheat

6、exchanger,energypipewithhigherefficiency,betterheattransferperformance.Energypileconstructionissynchronizedwiththebuildingpilefoundationconstruction,andtheheatexchangerisembeddedinthepilefoundation,reducedrillingcostandbackfillmaterial,whichreflectsitse

7、conomicadvantage.Inthelandofthecityundergroundspaceutilization,applicationofenergypiletechnologyreflectsitsbroadmarketprospects.Althoughtheenergypiletechnologyhasalotofadvantagesbutitslarge-scaleapplicationandpopularizationstillhavetwoproblems,energypil

8、eheattransferperformanceevaluationisnotcomprehensiveenough,ontheotherhand,theenergypilethermalstoragesystemunderdifferentinjectionthermodynamicheatstorageeffectandstructureofthecorrespondingresponselackofresearch.Inviewoftheabove