热泵复合地下热源群构能量传输增效机理及其控制机制研究

As an important part of ground source heat pump (GSHP) and underground thermal energy storage (UTES), the utilization of shallow geothermal energy involves the heat and mass transfer and heat flow control of complicated underground structure. In large-scale engineering projects, especially in the heat transfer of porous rock-soil, the heat transfer of the multiwell pumping irrigation, and their complex application, the utilization of shallow geothermal energy lacks active control of the heat transfer process, and has always had the problem of having low efficiency. Therefore, we proposed the basic research of the working mechanism of multi-heat-source heat transfer, explore scientificly diverse forms of overall control of heat sources, and utilizes the reforming, optimization, and control of the heat flow field to achieve the efficient grouping of heat sources. By researching thermal phenomena such as the heat and moisture transfer of pipe-planting and backfilling, the seapage from pumping and irrigating wells, the heat and moisture transport in aquifer, thermal breakthrough and heat interaction, researchers explore arrangements of large-scale heat source group, the variability of load distribution, the features of and correlations among underground temperature field, water level, flow field, and energy flow field.It is important to understand scientificly the migration of heat and moisture, the intensity of energy flow, and the dynamic heat transfer of variable load and its working mechanism of structural heat variation, and to make a breakthrough at the technical difficulty of the interaction control of the underground structure of the heat-fluid-solid coupling of multi heat-sources, to understand fully the essential characters of the action of faciliating and restraining the heat transfer of multi-heat-source coupling and its property of directional and quatitative control. The goal is to develop the theory of systematic control, and to provide scientific foundation for engineering application.

地下浅层能量利用作为地源热泵和地下蓄能的重要组成，涉及复杂地下结构的传热传质和热流变控制，在大型工程应用中特别是对于多孔岩土换热、多井抽灌换热及它们的复合应用，缺失热传输过程主动控制，一直存在低效问题。为此提出多热源群构热传输作用机制基础性研究问题，科学探索各种形式热源布控，利用热流场重整优化与控制，实现高效热源组配。研究置管-回填-围土的热湿迁移、抽/灌渗流、含水层热湿运移、热贯通与热交互等热现象,探索大规模热源群的排列布置、负荷分配可变性与地下温度场、水位场、流场和能流场形态特征关系及其相互作用规律等。科学认识热湿迁移、能流强度和可变负荷动态传热及其结构热变异作用机理，突破多热源热流固耦合地下结构交互作用控制难点，探明多热源耦合结构的热传输激励、促进与抑制行为本质特征及其热流变定向和定量控制属性，拓展协同控制理论，为指导工程应用提供科学依据。

地能利用过程的地温场能量传输及其热交互是决定地下换热器及抽灌井温度热贯通变动性的核心因素。我国大部分地区冷热负荷不平衡，地能利用过程中地下富集冷量或热量，以及引发热交互，最终因热贯通的过度恶化而导致系统效率降低，甚至失效。特别在地下水源地能利用系统中，其是否高效运行决定于回灌冷量与热量运移至抽水区时达到稳定或动态平衡状态，从而实现抽水温度稳定。抽水井冬季有效地提取夏季回灌的热量，夏季有效地提取冬季回灌的冷量，充分利用地下岩土蓄能作用，实现能量的跨季节存储与利用。.本项目（国家自然科学基金No.51376080）对地能利用复合热源形式进行重整与优化分析，以期实现含水层温度场、渗流场、水动力场等多场协同控制以达到温度分布趋向均匀并维持最低水平热贯通。项目采用理论研究、模型分析、模拟计算结合实验研究及工程应用实际，探索大型群孔地下换热器系统和大规模地下水抽/灌井群换热系统复合结构的跨时域周期性动态热传输机理与作用规律，揭示地下水运移过程岩土和含水层在传热及蓄能中的能量传输基本属性、热流变行为特征与特性规律。通过认识跨时域季节性能量存储所涉及的复杂多变动态传热传质过程，解决大规模热源组群地能利用过程热传输控制问题，提高大型工程地下换热体系的能量利用水平，拓展和完善多源群地下热流变控制理论.搭建了地下换热器与抽灌井地源复合结构实验台，进行含水层热传输特性的实验研究，并进行仿真模拟的实验验证。以此为基础，将小尺度的实验扩展至实际构造尺度，建立仿真模型，采用数值计算方法，分别在静态含水层及存在地下水自然横流的含水层中，考虑多种影响因素，进行多周期、跨季节、宽地域的模拟研究与分析，揭示长期运行过程中含水层热流场的演变规律，完善地下水传热机制与能量传输控制理论。论文研究工作结合实际工程，开展了地能利用复合形式的模拟计算分析，通过模型建立和计算方法完善，开展多要素作用的地下复合能源系统能量传输和效能研究。