【摘要】：淺層地溫能是賦存于地表以下200m深范圍以內(nèi)的一種清潔能源。由于其分布廣、儲量大、高效及無污染性的特點,越來越多地被應(yīng)用于城市建筑的供暖與制冷。目前淺層地溫能的開發(fā)利用狀況與它龐大的資源儲量相比還有很大的開發(fā)空間,制約地埋管地源熱泵技術(shù)發(fā)展的因素有很多,其中最主要的原因是由于對地埋管換熱器與巖土體間的熱量傳遞認識不全面,前期盲目設(shè)計,以至于在實際應(yīng)用時換熱器換熱性能發(fā)生大幅下滑,給地埋管地源熱泵的技術(shù)推廣帶來很大阻礙。因此,本文主要針對有、無滲流條件下地埋管地源熱泵換熱特性展開分析,就地埋管換熱器與周圍巖土體之間的換熱過程進行更深層次的探究,并從區(qū)域尺度和場地尺度對淺層地溫能的開發(fā)利用進行適宜性評價。通過前期對熱響應(yīng)試驗基本原理、測試孔孔內(nèi)傳熱、測試孔孔外傳熱進行理論分析并開展福州地區(qū)實地的原位試驗和平潭地區(qū)地下水滲流條件下專題熱響應(yīng)試驗的的研究,利用數(shù)值模擬技術(shù)建立了無滲流和存在地下水滲流兩種機制下地埋管換熱器換熱過程的數(shù)值模型。通過引入換熱器換熱能效系數(shù)、有效換熱持續(xù)時間及單位深度換熱量三個參數(shù),對地埋管換熱器的換熱特性及換熱能力進行量化分析。分析了有滲流和無滲流作用巖土體中換熱器換熱性能的差異,并討論了不同地埋管結(jié)構(gòu)、巖土體性質(zhì)以及冬夏不同熱負荷特性條件下群管換熱器換熱性能的變化。針對多層型巖土體展開討論,研究其在地下水滲流條件下?lián)Q熱器的換熱特征,并與單層巖土體在地下水滲流條件下?lián)Q熱器的換熱特征相比較。并就熱彌散作用對換熱的影響展開初步探究。文章最后展開淺層地溫能適宜性評價,評價從區(qū)域尺度和場地尺度兩個方面展開。在區(qū)域尺度的評價中利用層次分析法對淺層地溫能進行適宜性分區(qū)；在場地尺度的評價中采用數(shù)值模擬的方法,結(jié)合實際工況對淺層地溫能進行場地尺度的適宜性評價,通過以上的研究主要得到以下認識：1.在無滲流條件下,熱量以圓形輻射狀向外部進行傳輸,容易產(chǎn)生熱量的堆積,換熱器在運行10年后仍未達到局部熱平衡：在有滲流流動(1×10-6m/s)的條件下,熱量在地下水上游的傳輸受到抑制,在水流下游的傳輸?shù)玫酱龠M。滲流作用能有效減弱熱量堆積的不利影響,且換熱器在運行的第100天就能達到局部換熱平衡狀態(tài)。同時,滲流流動能提高地埋管換熱器的換熱能力,在連續(xù)運行的第10年,同比無滲流工況,換熱器單位深度換熱量增加了約68%(0-60m均存在滲流流動)。2.在有無滲流兩種條件下,巖土體初始溫度的改變都不影響換熱器換熱能效系數(shù)的變化特征;但對于制冷工況,初始溫度越低,地埋管換熱器進出口溫差會越高,有效換熱持續(xù)時間也會越長。因此,對于有制冷需求大于制熱需求的區(qū)域,巖土體溫度越低越有利于地埋管換熱器長期高效地運行。3.地埋管換熱器長度的增加能提高換熱器換熱能效特性及有效換熱持續(xù)時間,但不意味著地埋管換熱能力的增大。單位深度換熱量是由總換熱量及換熱器深度H所共同決定的。在實際設(shè)計中要綜合考慮換熱器的數(shù)量及其深度大小。4.埋管管內(nèi)循環(huán)流體須保持為紊流流態(tài),在保證循環(huán)泵正常運行的前提下,流速越大換熱器換熱能力越大,但流量增大到45m3/d(支管內(nèi)徑0.031m)時,單位深度換熱量相比流量為35m3/d的工況增加不足5%%%,且流速過大對循環(huán)泵的要求也就越高。因此,應(yīng)保證換熱能力的同時兼顧運行費用的經(jīng)濟性,循環(huán)流體流量控制在35～45m3/d之間。5.通過無滲流條件下群管換熱器運行的可持續(xù)性研究,發(fā)現(xiàn)在換熱器冬夏換熱冷熱不均衡的工況條件下,會出現(xiàn)土壤溫度失衡,換熱器換熱能力逐漸下降的情況。因此淺層地溫能也是有一定使用限度的,我們應(yīng)該把淺層地溫能看作“蓄能體”進行開發(fā)利用,制定冷熱均衡的運行策略,可持續(xù)開發(fā)淺層地溫能。6.設(shè)定地埋管換熱器運行策略相同,比較地下水滲流條件下和無地下水滲流條件下群管換熱器的運行特征和地溫場變化。結(jié)果顯示在存在地下水滲流條件下群管換熱器器的換熱能效系數(shù)較無地下水滲流條件下?lián)Q熱器的換熱能效系數(shù)提升明顯。在設(shè)定的三種工況的運行策略中,滲流型群管換熱器周圍巖土體溫度能保持多年的相對穩(wěn)定,故地埋管換熱器宜設(shè)置與地下水徑流條件較好的區(qū)域,甚至可采取工程措施加大換熱器周圍的地下水流速,以提高換熱器的換熱效率和換熱持續(xù)能力。7.埋設(shè)于多層型巖土體中的地埋管換熱器,一般只在巖土體某一區(qū)段存在較明顯的地下水滲流流動,滲流流速越大越有利于換熱的進行。連續(xù)運行100天,可采用修正的Peclet數(shù)對滲流換熱的相對強弱進行判別：當(dāng)修正Pe數(shù)=0.0041時,換熱器換熱量同比無滲流時增大約5%;當(dāng)修正Pe數(shù)=0.1291時,換熱器換熱量同比無滲流時增大約30%。8.通過地下水滲流條件下熱響應(yīng)試驗,對地埋管換熱器進出口溫度及處于滲流區(qū)段巖土體溫度監(jiān)測點的模擬值與實測值進行了比較,發(fā)現(xiàn)模擬值與實測值之間的誤差較小。說明本文所建立的滲流流動作用下的地埋管換熱器換熱模型是合理的,是可應(yīng)用于工程設(shè)計當(dāng)中的。9.根據(jù)區(qū)域性淺層地溫能評價的結(jié)果,福州地區(qū)適宜和較適宜淺層地溫能開發(fā)利用的地區(qū)主要集中于第四系海積平原和盆地周圍第四系殘坡積較為發(fā)育的地區(qū),上述地區(qū)有易于鉆進、含水層富水性好、徑流交替強烈等特點。評價區(qū)總面積為714.8 km2。其中適宜區(qū)面積為133.6 km2,較適宜區(qū)面積為210.5 km2,不適宜區(qū)面積為370.7 km2,分別占評價區(qū)總面積的18.69%、29.45%、51.86%。10.在福州地區(qū)在場地尺度適宜性評價中,分從小功率的辦公場地和大功率的中型賓館兩個方面評價,評價結(jié)果顯示：要使得換熱系統(tǒng)較為持續(xù)的運行,不出現(xiàn)地溫持續(xù)上升,熱量累積傳導(dǎo)現(xiàn)象,較為適宜的冷熱負荷不平衡率應(yīng)該小于45%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU831

【參考文獻】

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本文編號：2509765