基于㶲分析法的岩溶地区地源热泵流固耦合传热机理研究

In Karst regions, shallow geothermal energy exists in both formation matrix and ground water, and the heat transfer between the ground heat exchanger of geothermal heat pump and formation is a coupled conduction/convection process. Meanwhile, construction and heterogeneity and anisotropy of the formation would also alter the heat transfer process. Insufficient understanding to the questions has resulted in satisfied performance of some projects built in Karst regions. Based on the heat transfer mechanism between the heat exchanger and the formation, the project plans to utilize exergy analysis investigate mass transfer and heat transfer in the underground heat exchange zone, which includes both the heat exchangers and the formation. Through theoretical analysis, numerical modeling and laboratory experiment, the analysis will compare the heat flow, exery flow, exergy loss and utilizable energy within the underground heat exchange zone, to identify major factors impacting the exergy and energy efficiencies of the system. The key part of the research is to investigate the variation pattern of utilizable energy in the formation under the impact of pulse load in long term, and corresponding risk of thermal unbalance. New methods to calculate the major technoeconomic parameters of the system and optimized design plan will be proposed. The project is of significance to promote the utilization of shallow geothermal resources in China, as well as the application of exergy analysis method to investigate energy transfer and conversion in underground formations.

岩溶地区的浅层地温能同时赋存在岩土和地下水中，地源热泵的地埋管与岩土体之间的传热是一个导热对流耦合过程。同时，施工建设、岩相的各向异性与非均质性也会改变水文地质特征，进一步导致传热过程变化。由于目前对这些问题没有足够的认识，导致岩溶地区地源热泵工程技术经济特性受到了限制。本项目从岩溶地区地下埋管与岩土体之间的传热机理出发，将地埋管和岩土体共同视为一个地下换热区，利用㶲分析法研究区内传热过程。结合理论分析、计算机模拟和物理实验，通过比较不同地质、水文、施工工艺下换热区内传热、㶲流、㶲损和可用能的变化，找出对整个系统㶲效率和热效率具有较大影响的因素，重点研究长期脉冲负荷下地层中可用能的变化规律和对应的热失衡风险，提出机组主要技术经济参数的新计算方法和工程设计优化方案。该研究对促进我国浅层地温能开发利用具有重要的工程意义，同时也对利用㶲分析法研究地下自然构造中能源的传递和转换有着科学借鉴意义。

地源热泵运行中土壤热失衡、机组容许冷热负荷差受限等问题的本质是因为长期工况下蓄能岩土体内㶲损逐步增加、可用能逐步减少。本项目聚焦不同岩相、水文地质特征、回填材料对机组运行的影响规律，综合运用理论分析、计算机模拟和物理实验等手段，搭建了裂隙岩体换热实验平台、单孔换热数值模型、裂隙岩体内埋管群换热数值模型；开展了含有水平裂隙情况下岩体内温度场分布规律研究，含有复杂裂隙水流情况下的岩土源热泵系统冷热运行工况研究，不同地下水位线埋深和不同土壤情况下水平埋管地源热泵运行特性及土体含水率和温度场变化规律研究，典型岩溶区碳酸盐岩样热物性测试，回填材料的土水特征曲线、热物理性质、渗流传递参数和力学特性的测试研究，建立了含地埋管群的裂隙岩体热流固耦合数值模型，并完成了典型岩溶区岩体内地埋管对地下水流和地质环境影响模拟研究；开展了不同含水率下裂隙岩体单轴和三轴力学试验，；分析总结了裂隙水速度、裂隙数量和裂隙分布对地埋管和周围岩体换热过程的影响机理，提出了缓解蓄能岩体热失衡和地源热泵系统效率衰减的技术手段；分析总结了地下水位、土壤类型和埋管种类对水平埋管运行效果的影响，提出了水平埋管系统换热效果评价指标，以及布局的设计优化方法；明确了典型岩溶构造对岩体温度的影响范围；总结分析了岩溶区埋管群对地质环境影响，提出了埋管群布局优化措施，为浅层地温能可持续开发提供了科学参考；明确了地下水位季节性变化对蓄能岩体结构面力学特性的影响机理。以上研究成果为进一步研究地下自然构造中能量的传递和转换机理，蓄能岩土体内可用能随机组运营周期变化的规律，更准确地估算机组的主要技术经济指标提供了学科参考。依托本项目，共发表论文10篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文3篇，北大核心收录论文1篇；共获得授权专利6项，其中发明专利1项，实用新型专利5项；晋升正高职称3人次，副高职称3人次；培养硕士研究生6人。项目成员参加国内学术会议7次。本项目的成功完成将促进我国地源热泵的应用推广，对实现国家规划的清洁能源目标具有重要意义。