地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价

发布时间：2019-07-04 08:08

【摘要】：浅层地温能是赋存于地表以下200m深范围以内的一种清洁能源。由于其分布广、储量大、高效及无污染性的特点,越来越多地被应用于城市建筑的供暖与制冷。目前浅层地温能的开发利用状况与它庞大的资源储量相比还有很大的开发空间,制约地埋管地源热泵技术发展的因素有很多,其中最主要的原因是由于对地埋管换热器与岩土体间的热量传递认识不全面,前期盲目设计,以至于在实际应用时换热器换热性能发生大幅下滑,给地埋管地源热泵的技术推广带来很大阻碍。因此,本文主要针对有、无渗流条件下地埋管地源热泵换热特性展开分析,就地埋管换热器与周围岩土体之间的换热过程进行更深层次的探究,并从区域尺度和场地尺度对浅层地温能的开发利用进行适宜性评价。通过前期对热响应试验基本原理、测试孔孔内传热、测试孔孔外传热进行理论分析并开展福州地区实地的原位试验和平潭地区地下水渗流条件下专题热响应试验的的研究,利用数值模拟技术建立了无渗流和存在地下水渗流两种机制下地埋管换热器换热过程的数值模型。通过引入换热器换热能效系数、有效换热持续时间及单位深度换热量三个参数,对地埋管换热器的换热特性及换热能力进行量化分析。分析了有渗流和无渗流作用岩土体中换热器换热性能的差异,并讨论了不同地埋管结构、岩土体性质以及冬夏不同热负荷特性条件下群管换热器换热性能的变化。针对多层型岩土体展开讨论,研究其在地下水渗流条件下换热器的换热特征,并与单层岩土体在地下水渗流条件下换热器的换热特征相比较。并就热弥散作用对换热的影响展开初步探究。文章最后展开浅层地温能适宜性评价,评价从区域尺度和场地尺度两个方面展开。在区域尺度的评价中利用层次分析法对浅层地温能进行适宜性分区；在场地尺度的评价中采用数值模拟的方法,结合实际工况对浅层地温能进行场地尺度的适宜性评价,通过以上的研究主要得到以下认识：1.在无渗流条件下,热量以圆形辐射状向外部进行传输,容易产生热量的堆积,换热器在运行10年后仍未达到局部热平衡：在有渗流流动(1×10-6m/s)的条件下,热量在地下水上游的传输受到抑制,在水流下游的传输得到促进。渗流作用能有效减弱热量堆积的不利影响,且换热器在运行的第100天就能达到局部换热平衡状态。同时,渗流流动能提高地埋管换热器的换热能力,在连续运行的第10年,同比无渗流工况,换热器单位深度换热量增加了约68%(0-60m均存在渗流流动)。2.在有无渗流两种条件下,岩土体初始温度的改变都不影响换热器换热能效系数的变化特征;但对于制冷工况,初始温度越低,地埋管换热器进出口温差会越高,有效换热持续时间也会越长。因此,对于有制冷需求大于制热需求的区域,岩土体温度越低越有利于地埋管换热器长期高效地运行。3.地埋管换热器长度的增加能提高换热器换热能效特性及有效换热持续时间,但不意味着地埋管换热能力的增大。单位深度换热量是由总换热量及换热器深度H所共同决定的。在实际设计中要综合考虑换热器的数量及其深度大小。4.埋管管内循环流体须保持为紊流流态,在保证循环泵正常运行的前提下,流速越大换热器换热能力越大,但流量增大到45m3/d(支管内径0.031m)时,单位深度换热量相比流量为35m3/d的工况增加不足5%%%,且流速过大对循环泵的要求也就越高。因此,应保证换热能力的同时兼顾运行费用的经济性,循环流体流量控制在35～45m3/d之间。5.通过无渗流条件下群管换热器运行的可持续性研究,发现在换热器冬夏换热冷热不均衡的工况条件下,会出现土壤温度失衡,换热器换热能力逐渐下降的情况。因此浅层地温能也是有一定使用限度的,我们应该把浅层地温能看作“蓄能体”进行开发利用,制定冷热均衡的运行策略,可持续开发浅层地温能。6.设定地埋管换热器运行策略相同,比较地下水渗流条件下和无地下水渗流条件下群管换热器的运行特征和地温场变化。结果显示在存在地下水渗流条件下群管换热器器的换热能效系数较无地下水渗流条件下换热器的换热能效系数提升明显。在设定的三种工况的运行策略中,渗流型群管换热器周围岩土体温度能保持多年的相对稳定,故地埋管换热器宜设置与地下水径流条件较好的区域,甚至可采取工程措施加大换热器周围的地下水流速,以提高换热器的换热效率和换热持续能力。7.埋设于多层型岩土体中的地埋管换热器,一般只在岩土体某一区段存在较明显的地下水渗流流动,渗流流速越大越有利于换热的进行。连续运行100天,可采用修正的Peclet数对渗流换热的相对强弱进行判别：当修正Pe数=0.0041时,换热器换热量同比无渗流时增大约5%;当修正Pe数=0.1291时,换热器换热量同比无渗流时增大约30%。8.通过地下水渗流条件下热响应试验,对地埋管换热器进出口温度及处于渗流区段岩土体温度监测点的模拟值与实测值进行了比较,发现模拟值与实测值之间的误差较小。说明本文所建立的渗流流动作用下的地埋管换热器换热模型是合理的,是可应用于工程设计当中的。9.根据区域性浅层地温能评价的结果,福州地区适宜和较适宜浅层地温能开发利用的地区主要集中于第四系海积平原和盆地周围第四系残坡积较为发育的地区,上述地区有易于钻进、含水层富水性好、径流交替强烈等特点。评价区总面积为714.8 km2。其中适宜区面积为133.6 km2,较适宜区面积为210.5 km2,不适宜区面积为370.7 km2,分别占评价区总面积的18.69%、29.45%、51.86%。10.在福州地区在场地尺度适宜性评价中,分从小功率的办公场地和大功率的中型宾馆两个方面评价,评价结果显示：要使得换热系统较为持续的运行,不出现地温持续上升,热量累积传导现象,较为适宜的冷热负荷不平衡率应该小于45%。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU831

【参考文献】