【优秀硕博论文】地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价

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1、博士学位论文地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价HeatTransferModellingoftheBoreholeExchangerundertheGroundwaterFlowandShallowGeothermalEnergySuitabilityEvaluation学科专业：水文与水资源工程所在学院：环境学院二○一五年三月地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价摘要浅层地温能作为一种清洁能源，因为它的高效、无污染性，越来越多地被应用于城市居民的供暖与制冷当中。浅层地温能资源赋存于地表以下200m深的范围以内，具有分布

2、广、储量大的特点，现今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。现今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，导致在前期盲目地设计，以至于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。通过前期理论分析和福州地区实地的原位试验，利用数值模拟软件建立了无渗流和存在地

3、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，研究其单层岩土体中存在渗流流动时换热器换热特性的差异，并就热弥散作用对换热的影响展开初步探究。利用层次分析法对浅层地温能进行进行区域尺度的评价；采用数值模拟的方法针对实际工况对浅层地温能进行场地尺度的评价，主要得到

4、以下结论：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

5、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35

6、m3/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，可知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。6.相同运行工况条件下，渗流型群管换热器的运行可持续性明显优于无渗流条件下群管换热器的运行可持续性。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

7、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.通过强制渗流的热渗耦合热响应试验，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在工程应用允许的范围内。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

8、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。10.福州地区在场地尺度下要使得换热系统较为持续的运行，较为适宜的冷热负荷不