破解能量桩储能落地痛点！请吃透COMSOL多孔介质相变材料仿真

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2025年秋，青岛全球首个超阶零碳大楼的启用，让建筑节能领域再次聚焦“技术控碳”的核心价值——这座身披“光伏外套”、暗藏“退役电池储电仓”的智慧建筑，实现了100%绿能替代的突破。而在其光鲜的技术清单背后，一种“藏在地下”的关键技术正在默默发力：多孔介质相变能量桩。无独有偶，上海能建·西岸誉府项目在打造绿色智慧标杆时，也将类似的地下热储能技术作为核心支撑，通过数字化仿真优化实现了25%的节电率提升。

当“双碳”目标推动建筑业从“被动节能”转向“主动控碳”，多孔介质相变能量桩凭借“储热+承载”双重能力成为新宠。但不少工程师和科研人员却面临共性难题：如何精准设计桩体参数？怎样避免长期运行中的热堆积问题？答案藏在“仿真先行”的技术逻辑里。

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仿真技术如何破解能量桩落地痛点    

青岛超阶零碳大楼的能源系统负责人曾透露，项目初期曾因“光伏电能波动与建筑热需求错配”陷入困境——白天光伏富余时热需求低，夜间用热高峰时光伏却“断供”。最终，正是通过多孔介质相变能量桩的仿真优化，才找到解决方案：

通过COMSOL仿真模拟桩体中多孔介质的蓄放热规律，团队确定了石蜡基相变材料与多孔陶瓷载体的最佳配比，将光伏富余电能转化的热能储存时长从8小时延长至15小时，完美匹配建筑昼夜热负荷差。这一案例印证了行业共识：没有精准仿真，能量桩很可能沦为“昂贵的摆设”。  

而在技术层面，最新专利显示，传统能量桩普遍存在“被动导热效率低、热堆积破坏地层平衡”的问题。要破解这些痛点，仿真必须攻克三大核心任务：

 

多场耦合难题：让“热交换”与“承载力”两全  

能量桩既要通过相变材料实现高效热交换，又要承担建筑竖向荷载，“传热-力学”耦合效应是设计关键。上海能建项目通过仿真发现，当桩体温度波动超过25℃时，混凝土强度会下降12%。借助COMSOL的多孔介质流动模块，团队建立了“温度场-应力场”耦合模型，精准模拟不同相变温度下桩体的应力分布，最终将温度波动控制在18℃以内，既保证换热效率又规避结构风险。

 

参数优化：用数据替代“经验试错”  

多孔介质的孔隙率、相变材料的潜热值、桩体埋深等参数，都会直接影响能量桩性能。青岛项目初期曾按经验选用30%孔隙率的载体材料，仿真却显示：孔隙率提升至38%时，蓄热效率提高22%，且不会影响桩体刚度。通过参数化扫描仿真，团队快速锁定最优参数组合，将能量桩数量从原计划的120根缩减至98根，直接降低成本约120万元。

 

动态场景模拟：应对极端工况与能源波动  

北方寒区的冻胀问题、南方夏季的持续高温，都可能导致能量桩失效。仿真可提前模拟极端场景：在-15℃的寒区环境下，通过仿真设计“相变材料分层布置”方案，利用潜热释放维持桩周土壤温度在5℃以上，避免冻胀变形；针对光伏电能的间歇性，仿真可优化蓄放热策略，确保极端阴雨天时建筑热供应不中断。

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多孔介质相变材料能量桩仿真怎么做？    

定型多孔介质相变材料原理如下：

黄色 区域为普通黄土，白色的两个圆柱为供水管，灰色部分为添加了相变材料的混凝土，当天气变化导致温度黄土及混凝土温度发生变化时，混凝土的力学性能会发生相应改变，主要改变的是热膨胀系数，因此，控制混凝土温度的方法主要有两个，其一是通过调节供水管的温度；其二即为通过混凝土内部的相变材料自动调节混凝土内部的温度。

 

下面通过仿真的方法，对多孔介质的相变能量桩在72h温度变化的过程进行仿真，仿真最主要的难点在于如何定义混凝土这种多孔介质的材料。下面为大家详细演示，参考资料为论文《相变能量桩段模型传热模拟 》为此，我在仿真秀官网录制对应的视频课程，欢迎订阅，提供VIP群答疑服务。详情见下文：

第1步：分析物理现象

分析物理现象为非稳态热固体相变传热，因此选择固体传热模块，研究选择瞬态。

 

第2步：几何建模

考虑到三维模型的上下面为绝热边界调节，因此在高度方向没有温度梯度，因此可以简化为二维结构进行仿真，几何建模如下：

 

 

第3步：网格划分

采用自由三角形网格自动划分网格，并对多孔介质材料区域进行局部加密：

 

第4步：模型设置

4.1 设置区域材料

设置土体区域及混凝土与相变材料混合的多孔介质区域，土体区域设置为纯固体区域，混凝土与相变材料混凝物设置为多孔介质区域，并根据文献对多孔介质区的相变材料百分比设置为5%,10%,15%

 

第5步：设置变化的温度条件

根据论文，0-24h阶段维持37℃不变，24-48h从37℃下降至20℃，48-72维持20℃不变。

 

第6步：研究设置

选定时间单位为小时h,考虑到最终的求解时间为72h,因此将时间步为1h,计算到72h.且对相变材料体积分数进行参数化扫描。

 

第7步：后处理

7.1 72h时的温度及相变云图

 

温度云图

相变云图

7.2 温度变化曲线图与论文对比

 

桩心位置温度对比

 

不同质量分数相变材料温度对比

结论：通过与论文数据的对比，针对相变材料+多孔介质的场景，可以通过COMSOL利用固体传热+相变+多孔介质的方法来进行，学会该方法，可以对其他场景进行融会贯通。

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课程推荐    

从建筑暖通的日常应用到寒区工程的特殊防护，从新能源的协同储能到学术领域的创新突破，多孔介质相变能量桩仿真的应用场景已渗透到多领域全流程。其核心价值在于：以精准的数据分析替代经验判断，以虚拟仿真降低试验成本，以多场耦合模拟破解技术难点，最终实现“技术可行、工程安全、经济合理”的统一，为该技术的规模化应用与产业升级提供核心支撑。

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课程大纲及主要内容

该课程围绕多孔介质相变能量桩仿真技术，系统讲解其在建筑节能、新能源储能等多领域的应用场景、核心原理及实操方法，助力学习者掌握从模型搭建到结果分析的完整仿真流程，实现学术研究与工程应用落地。

以下是课程主要内容及大纲：

第1讲：定型多孔相变材料背景介绍

第2讲：定型多孔相变材料原理及摘要解读

第3讲：定型多孔相变材料几何模型创建及简化思路

第4讲：定型多孔相变材料网格划分及细化思路

第5讲：定型多孔相变材料控制方程详解

第6讲：定型多孔相变材料单相材料属性的设置

第7讲：定型多孔相变材料多孔介质属性的设置(核心重要一)

第8讲：定型多孔相变材料多孔介质属性的设置(核心重要二)

第9讲：定型多孔相变材料-如何设置温度随时间变化的边界条件

第 10 讲：定型多孔相变材料-如何生成探针点进行温度监测

第 11 讲：定型多孔相变材料-如何进行参数化扫描、二维截线图以及相变云图

来源：仿真秀App