寒冷地区半地下储水池（WSTs）防冻保温特性与保温层优化研究

《Processes》：Investigation on the Anti-Freezing and the Heat Preservation Characteristics for a Semi-Underground Water Storage Tank

　　

在寒冷地区，半地下储水池（semi-underground water storage tanks，WSTs）在冬季运行中存在水温偏低和局部冻结等问题。针对其防冻与保温，亟需开展相关理论分析和技术探索。研究人员采用数值模拟（numerical simulation）研究不同保温措施对WSTs防冻性能的影响。首先，建立数值模型以分析低温环境条件下水体的温度分布特征。其次，搭建实验平台，并通过实验测量对数值模型进行验证。在此基础上，对大型半地下WST开展1200 h瞬态数值模拟（transient numerical simulation）。最后，对无保温与不同保温工况之间、以及不同厚度和材料保温层下的温度变化进行对比分析。结果表明，若无保温，储水池顶部和侧壁会发生显著散热，导致水温持续下降并存在局部冻结风险。随着保温层厚度增加，储水池内部温度逐渐升高。然而，当厚度达到150 mm时，进一步增加厚度对保温性能的提升仅为边际改善。进一步比较150 mm岩棉（rock wool）与150 mm聚氨酯（polyurethane）保温可知，聚氨酯具有更好的保温性能。因此，确定增设150 mm厚聚氨酯保温层为最优方案。最后，通过数值模拟与实验方法相结合，研究人员建立了半地下WSTs动态温度场分析，可为寒冷地区WSTs的防冻与保温设计提供理论依据和技术指导，从而促进WSTs的推广应用。

在寒冷地区，半地下储水池（semi-underground water storage tanks，WSTs）是供水、消防和工业水系统的重要储存设施。冬季低温使池水持续散热、水温下降，顶部和侧壁更易受外部低温影响，局部冻结可能危及系统运行。已有研究涉及冷却塔、供水与消防管道、外保温系统及隧道排水沟等，Liu et al.、Chua et al.、Shen et al.、Huang et al.和Zhang et al.等采用实验、计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）或现场测试分析冻结与保温。与全地下WSTs不同，半地下WSTs部分埋于土中，传热同时受环境空气和土壤影响：顶部与侧壁暴露散热显著，底部和埋设部分受土壤温度影响并获得一定热补偿，池内温度差异明显，不能照搬全地下储水池做法。目前半地下WSTs温度场及保温措施研究有限，不同保温层厚度和材料的影响尚需研究，因此研究人员开展本研究。研究人员建立数值模型并以实验验证，基于寒冷地区冬季1200 h连续气象数据对大型半地下WST进行瞬态数值模拟，分析低温下温度变化和冻结风险，并比较无保温、不同保温方式及不同厚度和材料保温层。研究得出无保温时顶部和侧壁为主要散热部位，水温持续下降并存在局部冻结风险；顶部和侧壁保温可利用底部土壤热补偿，优于全保温；厚度超过150 mm后性能提升边际；150 mm聚氨酯优于150 mm岩棉，被确定为最优方案。其意义在于建立半地下WSTs动态温度场分析，为寒冷地区WSTs防冻保温设计提供理论依据和技术指导，促进推广应用。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员以质量、动量和能量守恒方程建立传热模型，采用流体体积法（volume of fluid，VOF）描述水-空气两相及相间换热；按冬季平均风速1.5 m/s计算外壁对流换热系数12.96 W/(m² K)，设置土壤温度和计算域边界。实验平台位于内蒙古呼和浩特市和林格尔县，试验池2 m×2 m×3.5 m、埋深2.5 m，304不锈钢壁厚3 mm，冻线以上包100 mm聚氨酯（polyurethane），内置17个pt1000传感器；以实测温度验证模型，最大偏差0.42 K、均方根误差（root mean square error，RMSE）0.21 K、最大相对误差0.149%。经网格独立性验证选用6,231,329个单元，对大型半地下WST开展1200 h瞬态模拟，并比较无保温与不同厚度、材料保温层。

研究结果：
4.1 无保温措施时储水池温度变化：无保温模拟显示明显热分层，顶部和侧壁散热较快，导流墙附近水温较高，中心温度场较均匀。模型未纳入相变潜热（latent heat），水按单相液体处理，低于273.15 K不出现相变平台。C1在285 h降至0 °C，C2在502 h降至0 °C，局部存在冻结风险，冻结区主要集中于近侧壁上部水体。
4.2 不同保温措施对储水池温度的影响：对比150 mm聚氨酯全保温与仅顶部和侧壁保温，整体温度分布相似，但全保温底部温度略低，因底部保温削弱水体与土壤换热；仅顶部和侧壁保温时底部仍获土壤热补偿，Z4差异明显。结论：顶部和侧壁保温可减少外部低温影响并保留土壤有益传热。
4.3 不同保温层的影响：4.3.1 保温层厚度对防冻性能的影响：在顶部和侧壁设置50、100、150、200 mm岩棉（rock wool）且底部不保温，模拟744 h后比较截面和监测点。厚度增加使热阻增大、低温区缩小、温度场更均匀；50和100 mm仍有局部低温风险，150 mm冻结风险显著降低，200 mm改善边际。C1最低温度由无保温268.9 K分别升至272.5、273.9、275.3、275.8 K；Z1约278 K，Z4由278.15 K升至279 K。150 mm聚氨酯在1200 h后C1为275.63 K且无冻结风险，200 mm提升有限。结论：150 mm较合适。4.3.2 保温材料对防冻性能的影响：比较150 mm岩棉与150 mm聚氨酯，二者均能防冻，聚氨酯内部温度略高、低温区较小；Z5约275.28 K（岩棉）和275.79 K（聚氨酯），C1约274.26 K和275.63 K，底部Z1、Z4变化较小。结论：聚氨酯保温性能更优。
4.4 初始水温对冻结时间的影响：对无保温储水池设置初始水温5 °C和7 °C模拟，7 °C工况各监测点温度普遍更高；744 h后C1、C2温差约0.75 K，C4约1 K。较高初始水温延长水温达到0 °C的时间并降低短期冻结风险。
4.5 保温措施的技术经济比较：按成本C=A·δ·P（A为保温面积，δ为厚度，P为单位体积价格）比较。150 mm岩棉可满足防冻，聚氨酯同厚度保温更好；150 mm聚氨酯在1200 h后C1约275.6 K，有效降低冻结风险；进一步增厚改善有限而成本增加。结论：推荐150 mm聚氨酯保温层。

讨论与结论：
讨论与局限：研究人员指出，顶部和侧壁加保温层、底部利用土壤作为热源的策略适合寒冷地区半地下WSTs防冻设计；150 mm聚氨酯防冻性能较好，可为材料选择和结构设计提供参考。研究仅模拟一个月低温期，未考虑水冻结相变潜热；未来将引入水-冰相变模型研究冰形成和生长对防冻性能的影响。
研究结论（翻译）：(1) 数值模拟与实验测量吻合良好，最大温度偏差0.42 K、RMSE 0.21 K、最大相对误差0.149%；模型能准确反映池内传热过程，适用于防冻保温性能分析。(2) 无保温时顶部和暴露侧壁为主要散热区域，水温持续下降，285 h后局部水温降至0 °C，存在冻结风险。(3) 顶部和侧壁保温可有效减少热损失，同时保持底部深土热补偿；与全保温相比防冻性能更好。(4) 厚度增加使内部温度场更均匀，但超过150 mm后改善边际，故150 mm为合适厚度；150 mm聚氨酯优于150 mm岩棉，最终选150 mm聚氨酯，可缓解极端低温热损失并防止水冻结。