粮仓能源桩系统绿色储粮技术应用研究

简化粮食入库后全周期控温供冷储粮流程,提出满仓主动降温与夏季粮仓热平衡2种供冷方案。通过理论公式计算2种方案下的供冷量需求,并利用有限元模拟软件计算得出能源桩换热量,由此设计可满足上部粮仓供冷需求的能源桩运行方案。结果表明:在1万t储粮规模下,粮仓能源桩储粮技术可满足2种供冷方案下的能源需求,对比谷物冷却机与地源热泵储粮,其初期投入成本更低;对比空调储粮,其初期投入成本增加,但能源桩储粮技术可利用绿色清洁能源,储粮能耗最低。

一种粮仓能源桩绿色储粮原理科普教具设计

为进一步做好研究性教学工作,一方面结合粮食仓储行业“碳中和”目标的实现,创新地将能源桩技术首次应用于粮仓结构,设计了一种粮仓能源桩绿色储粮系统;另一方面,针对粮仓能源桩绿色储粮系统教学难点,从外观应用、技术科普及信息反馈3个方面,采用3D打印技术设计配套科普教具,利用科普教具直观演绎粮仓系统组成、能量传递机理等,给予学生不同的教学体验,使学生在学习基础知识点的同时,开拓视野,提高创新思维。

长期循环温度下能源桩-土热传播特性研究

开展了桩长52.5 m、桩径1.05 m的能源桩-土热传导离心模型试验,揭示了三十个周期的冷热循环温度作用下能源桩-土传热规律,基于ABAQUS有限元数值模拟,建立了桩周土体温度场长期数值计算模型,并将其与离心模型试验结果进行了对比验证。结果表明:各循环温度区间变化模拟值与实测值整体波动具有很好的一致性,各周期内最大相对误差为5.6%,整体误差较小,验证了模型的合理性;长期冷热循环温度作用下,能源桩整体运行效率存在降低趋势;桩端土体的温度变化滞后于桩体中部区域土体,因此在进行能源桩内管道布设时可以考虑桩端部分区域内适当加密,提高能源桩的换热性能;热循环阶段,模拟值变温区峰值高于实测变温区峰值,而在冷循环末期,模拟值较小,且距桩不同距离位置处实测值相对应的变温时间区间,相较模拟值变温区间均存在一定程度的后延,且循环周期越多时间区间后延效应越明显。

考虑桩端持力层效应的能源桩受力变形特性研究

能源桩作为一种具备建筑承载和地热开发双重功能的新型建筑节能技术,近年来得到了越来越广泛的研究和关注。温度荷载的施加对桩体的设计和安全服役带来了新的挑战,但现有理论计算方法仍未能全面揭示热力耦合作用下不同承载性状能源桩的受力变形特性。基于弹性分析理论框架,进一步考虑了桩端持力层的影响,建立了能源桩热力分析模型,并结合典型现场试验结果进行了模型验证,着重分析了地层结构特征和桩基几何参数对能源桩荷载传递及位移行为的影响。研究结果表明:热致轴向荷载将随着持力层刚度的增加而增加,相较于摩擦型桩,温度变化将导致支承于硬持力层的能源桩产生更大的温度应力;桩端持力层、桩周土体及桩顶刚度情况是影响热致应力大小和分布以及热致位移的关键因素。基于理论模型获得的归一化计算结果旨在实现对能源桩热致应力及位移的估算,为不同承载性状能源的设计计算提供参考依据。

基于能源桩的桥面融雪系统经济效益评估

基于能源桩的桥面融雪系统,利用清洁绿色的地热能为道路融雪除冰,从而降低碳排放,与我国“双碳”战略发展趋势相契合。在技术落地过程中,实现优化设计从而降低成本至关重要。通过数值模拟方法,研究了该系统在中国不同气候区的产热量,并计算了三级融雪目标下桥面融雪所需热量。同时,建立了成本测算模型,分析了各气候区代表城市最具经济效益的能源桩融雪方案,并基于该模型开发了计算软件,以简化应用流程。研究结果表明:在短期运行中,桥面建安费和热泵费用是对成本影响最大的因素。然而,在长期运行中电价成为最关键因素;当热通量需求变化时,电力融雪系统的总成本增量约为能源桩融雪系统的2倍;在恶劣气候环境和更严苛的融雪目标下,能源桩融雪系统的相对节省曲线更陡峭,优势显著;此外,国家政策的积极支持能弥补该系统初始投资成本高的短板,增强其市场竞争力。

饱和砂土地基中碳化硅能源桩的传热特性测试与分析

采用标准试块测试与模型试验,对碳化硅能源桩的传热特性进行研究。通过桩基混凝土试块导热系数和力学性能测试,确定碳化硅能源桩的桩身材料配合比;通过饱和砂土地基中能源桩高温释热工况模型试验,分析饱和砂土地基中碳化硅能源桩的传热性能以及轴向和径向温度分布及变化规律。结果表明:碳化硅代砂率达到16.0%时,桩基混凝土试块的导热系数、抗压强度以及抗折强度会分别提升64.1%、19.9%和11.4%,该代砂率下的碳化硅能源桩桩身材料配合比为最佳配合比。碳化硅能源桩的最高温度出现在桩体中部。相较于普通能源桩,碳化硅能源桩具有更高的桩体温度、温度增长速率和换热功率,表现出更优的传热性能。在碳化硅能源桩进行热循环时,桩土间的热量传递效率自桩身向外沿径向递减;热循环后,桩周土体呈现热量堆积现象,且这种现象随着接近桩身区域而逐渐增强。研究结果可为碳化硅能源桩的设计及其在饱和砂土地基中的应用提供试验依据。

桥面除冰地热能源桩的能量传递机理研究

利用桥面除冰地热能源桩(以下简称“桥梁能源桩”)在冬季可提取清洁地热能并传输到桥面进行除冰融雪。建立了桥梁能源桩热-力耦合三维数值模型,探究了桥墩对流换热对下部能源桩能量传递机理的影响。研究表明,除冰过程中能源桩的地热提取效率是传统地热钻孔的2~3倍;桥墩与空气的对流换热会导致热量散失,造成能源桩的热功率降低;当桥墩桩基长度比由0增大到50%时,桥梁能源桩的热交换率降低约8.7%,因此桥墩较长时应考虑桥墩对流换热对能源桩热性能的影响。

能源桩热力耦合关键技术与应用前景综述

能源桩是一种集成能源技术和基础设施的创新解决方案,旨在为城市化进程中的能源供应和环境可持续性提供新思路。本文从理论角度出发,综合了能源桩传热特性、热力耦合关键技术现有的研究成果,探讨了能源桩的应用场景以及未来的发展方向。能源桩及其相关技术具有巨大研究价值,可以在能源转型和城市可持续发展中发挥重要作用。

循环温度下能源桩土热传导解析计算模型研究

在实际工程中能源桩与周围的热传递作用是一个长期多次循环的过程。依托能源桩土热传导离心机模型试验结果,基于有限长热源模型,对长期冷热循环温度作用下能源桩桩周土体温度场进行了理论计算,并将所得解析解与室内试验桩周土体温度实测值进行了对比分析,结果表明:有限长线热源模型相较于无限长线热源模型精度更高,且无论是冷循环还是热循环,在循环后期延米换热功率都存在一定程度的降低,冷效率的降低相较于热效率更为显著,降幅可达13.15%;桩周土温在桩身中段范围呈现较为稳定的态势,而桩端由于竖向传热的影响,桩端土体变温区间显著收缩;在同一时刻处,能源桩传热效率随着距桩中心距离增大而逐渐减小。

SiC对能源桩混凝土传热与力学性能的影响

能源桩系统作为一种建筑节能技术,通过开发清洁能源可有效缓解能源危机。以添加SiC粉末制备的传热强化型混凝土为研究对象,综合能源桩强化换热模型分析、室内传热与力学性能试验和中心热源热成像结果可知,在相同环境温度下,随着SiC含量的增加,SiC混凝土导热系数呈线性增加。在力学性能方面,当SiC质量分数达到10%时,混凝土的抗压强度和抗拉强度较素混凝土分别增加6.3%和8.3%,当SiC质量分数达到15%时,混凝土的抗压强度增长速率有所放缓,抗拉强度有所下降。中心热源热成像结果也进一步验证SiC试样自内向外的传热效率显著高于普通混凝土,与SiC含量为0%的试样相比,SiC含量为10%的试样的中心温度降低39.2%。由此可见,当SiC粉末添加量达到10%时,强化型混凝土的导热效率显著增加且抗压强度提升最为明显,这为提高能源桩的热效益提供一种可靠的参考方法。

考虑间歇比的地热能源桩热-力性能试验研究

结合地热能源桩现场试验,在桩身内部埋设应变/温度传感器,监测进/出口水温、桩身温度和轴向应变.分析不同间歇比下桩身轴向附加温度应力与桩侧附加摩阻力的变化规律,比较间歇与连续模式下地热能源桩的传热性能与热-力学特性.试验结果表明,间歇比对地热能源桩的短期传热性能影响比长期传热性能影响大.当间歇比为1、2时,性能系数平均值分别为3.95、4.00,桩身每延米换热量平均值分别为101.2、107.3 W/m.间歇比对桩身温度影响较明显,间歇比为1的桩身平均温度增量比间歇比为2的高66%.桩身中部的轴向观测应变大于桩两端的,桩身轴向附加温度应力和桩侧附加摩阻力均随间歇比的增大而减小.在桩身温度恢复阶段,间歇比为1、2工况的桩身温度,轴向观测应变和轴向附加温度应力均有残余.

能源桩传热特性与热-力响应研究综述

能源桩将地源热泵系统与传统桩基结合,具有换热效率高、占用空间少和成本低等优点。梳理近年来关于能源桩的传热和承载性能两个方面的研究进展,分析能源桩传热性能的影响因素及机理、热—力耦合状态下的结构响应及传热、结构响应的数值模型。在此基础上,提出能源桩下一步的研究建议与展望。分析指出:螺旋形管体的换热面积最大,换热效率最佳;在循环剪切作用下,能源桩的桩—土界面侧摩阻力衰减,使桩基承载力不断弱化;此外,一个周期中的制冷/制热需求不均可能引起地表温度失衡,从而影响换热效率。能源桩的优化设计及长期服役的可靠性将是未来研究的重点。

相变钢球混凝土能源桩热力学特性试验和模拟

为了解决能源桩热交换过程中的土壤热堆积问题,结合相变混凝土与传统能源桩的优点,将相变材料掺入混凝土中形成相变能源桩,以提高能源桩的热交换效率和储热能力.为此,开展了饱和砂土中相变钢球能源桩热力学特性模型试验和模拟,对循环温度作用下桩与桩周土的温度、桩体轴向应变、桩顶位移等进行研究.结果表明:与普通桩相比,加热升温后,相变桩桩体应变比普通桩低;温度稳定时变相桩应变与普通桩相近;相变桩的温度滞后效应和热稳定性更强,换热效率提高,有助于缓解土壤热堆积问题;桩体长期循环温度过高(日间50℃,夜间40℃),桩身温度将超过相变材料的相变温度,储能效果变差,在实际使用时需要采用间歇性作业环境才能达到最佳使用效果.

考虑THM耦合的地热能源桩热-力行为分析

地热能源桩除了可以承受建筑物的上部结构荷载,还能提供低碳、环保和可持续的制冷/制热功能,因此在土木与能源等行业受到广泛关注。热-水-力(THM)三场耦合效应显著影响能源桩和土体的相互作用及其承载变形特性。利用多孔介质混合物理论推导了THM全耦合的基本控制方程,并通过与饱和非等温固结问题的理论解对比,验证了该耦合问题基于COMSOL有限元分析方法有效性。在此基础上,考虑流体性质随温度的变化和不同的桩土接触模型,开展了基于THM耦合的能源桩二维有限元模型的数值分析,并与离心数值模型和现场试验数据进行对比。计算结果表明该耦合模型不但能预测能源桩中应力、应变和位移场分布与演化规律,还能较好地模拟桩土多场耦合行为。研究结果表明,THM耦合效应对土工分析具有重要影响,研究成果可为能源桩设计、施工及使用过程中所涉及的多场耦合问题提供参考依据。

地下水渗流对深层埋管式能源桩传热特性的影响

地下水渗流对能源地下结构的传热具有增益效果,通过构建深层埋管式能源桩单桩三维热渗耦合物理模型,分析了制冷、制热2种工况下渗流速度与渗流层位置对深层埋管式能源桩换热效率的影响。模拟结果发现,无渗流作用时深层埋管式能源桩在制冷、制热2种工况下的运行过程中均存在严重的冷热堆积现象。渗流作用则可在一定程度上消除冷热堆积,提升制冷、制热效率,该作用会随着渗流速度的增快而逐渐增强,且存在一定的热迁移现象。受地热梯度的影响,处于不同渗流层位置的深层埋管式能源桩换热效率的提高幅度不同。相比于浅层,更深层的渗流作用对制热效率的提高幅度更大,但对制冷效率的提高幅度却更小。

能源桩技术的研究与发展

全球环境污染、能源供应不足等问题愈发严重,我国对能源可持续发展的要求也越来越高。通过对能源桩发展历程与背景的梳理,采用聚类分析等方法发现能源桩在节能减排方面的优势格外突出。能源桩早在1 855年便已出现,日本、瑞士等国的能源桩技术已较为成熟,目前在我国应用较少。能源桩技术具有以往能源技术不可比拟的突出优势:提高能源利用效率和带来更好的经济效益,并且螺旋型能源桩优于3U型能源桩。能源桩同样存在圆柱型螺旋能源桩的热干扰现象、群桩效应问题、相应系数修正以及对周边环境、设施可能产生不利影响等缺点,但是能源桩发展潜力仍然巨大,通过在能源桩混凝土中加入不同增强材料可以获得不同的强化换热效果,这将为建筑物节能减排提供新的思路。

静钻根植能源桩技术及其应用

能源桩作为一种浅层地温能利用的建筑节能技术,是建筑运行阶段减少碳排放的主要途径之一.结合静钻根植桩的特点,提出静钻根植能源桩技术及施工工艺.结合实际工程,开展静钻根植能源桩的短期工况和长期工况热力试验,分析桩身温度变化、性能系数、桩身轴向附加应力和桩侧附加摩阻力等变化规律.试验结果表明,桩身温度随时间逐渐升高,而性能系数随时间的推移逐渐降低,并最终稳定于一恒值.桩身轴向附加应力和桩侧附加摩阻力的发挥性状受桩顶、桩端约束条件的制约.短期工况试验中,桩身轴向附加应力呈中间大两头小的分布形式,桩侧附加摩阻力分布存在一个零点;长期工况下,桩身轴向附加应力呈现两端大中间小的分布形式,桩侧附加摩阻力分布规律与时间、温度和约束条件等因素有关,桩身从一个零点逐渐演变为3个.研究结果可为能源桩技术的进一步推广应用提供理论参考.

摩擦型能源桩荷载–温度现场联合测试与承载性状分析

能源桩集地源热泵技术与建筑桩基于一体,桩基承载性状受荷载–温度耦合作用而不同于常规工程桩。开展了昆山某摩擦型能源桩工程的荷载–温度现场联合测试,测试了多级荷载水平与不同换热工况下桩身的温度、应力分布及桩顶位移变化,整理得到桩身的附加温度荷载、桩身轴力及桩侧摩阻力分布曲线,分析了摩擦型能源桩荷载–温度作用下的承载性状与荷载传递特征。测试结果表明:能源桩的温度变化将引起附加温度荷载,桩身轴力和附加温度荷载分布特征和桩顶荷载作用、桩端约束有关,承载性状不同于单一荷载作用下的工程桩。加热工况引起桩身上、中部多处出现负摩阻力,但荷载的增加有利于减小升温引起的负摩阻力效应;制冷工况下,桩端附近产生负摩阻力,能源桩荷载传递特征受荷载–温度耦合作用而改变。设计荷载作用下,能源桩顶加热时隆起而制冷时下沉,加热工况引起的桩顶位移在停止加热回温后可基本恢复,但制冷工况引起的桩顶位移在回温后会导致桩顶产生附加沉降,荷载–温度耦合作用也引起了能源桩沉降性状的变化。

能源桩温度分布的试验与数值研究

对能源桩换热过程中的温度分布的研究,是分析应力-温度耦合作用下桩身受力与变形行为的前提。首先总结了实测能源桩的温度分布规律,针对信阳螺旋埋管桩的TRT测试进行数值模拟,进出口水温、桩截面温度以及岩土温度的模拟结果均与试验数据相符,验证了模型的合理性。并对恒定加热功率工况下,岩土热导率、加热时长、埋管形式及桩径对能源桩温度分布的影响进行了模拟分析。结果表明,在70W/m的加热功率下对信阳测试桩加热7d后,周围岩土的热导率每减小0.3W/(m·K),桩身温度会整体增大约0.7℃,桩直径每增大200mm,桩身温度会整体减小约1℃;螺旋埋管与U形埋管的桩相比,桩身平均温度较高,截面温度分布较均匀。

能源桩换热过程中结构响应原位试验研究

目前关于在桩基中埋设换热管作为地源热泵换热器(即所谓"能源桩"技术)在制冷或供暖过程中对结构和周围岩土体的影响的信息十分有限。在河南省信阳市一项地源热工程中开展了保持桩顶加载条件下施加温度荷载并进行桩身结构响应量测的试验。试验持续了4周的时间,在常规静载试验的基础上叠加了温度循环,以模拟能源桩在实际运行时的工况。沿桩身深度方向布设了振弦式应变计和其它量测仪器,获取了桩身的应变和温度曲线剖面。同时获得了桩顶加载量、桩顶位移、桩身中换热管的进出口水温以及环境温度等数据。从这些数据中又推导出桩身的附加温度荷载。在此试验的基础上,又探讨了能源桩结构响应的简化规律。对桩体进行加热或制冷后,桩体中相对于结构加载产生了附加温度荷载(拉力或压力),且受制于桩端和桩周约束,结构荷载和温度改变引起的附加荷载的合力可能会超出桩基设计规范的限值,在能源桩设计中应给予充分的考虑。