【优秀硕士博士论文】地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价

学校代码10491研究生学号220090123中国地质大学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博士生学科专业水文学及水资源指导教师教授二一五年三月ADISSERTATIONSUBMITTEDTOCHINAUNIVERSITYOFGEOSCIENCESFORTHEDOCTORDEGREEOFHYDROLOGYANDWATERRESOURCESTHERMOHYDROCOUPLINGSIMULATIONOFBHEANDSHLLOWGEOTHERMALENERGYGEOLOGICALSUITABILITYASSESSMENTPHDCANDIDATEDENGDINGXINGMAJORHYDROLOGYANDWATERRESOURCESSUPERVISORPROFWANJUNWEICHINAUNIVERSITYOFGEOSCIENCESWUHAN430074PRCHINA中国地质大学（武汉）研究生学位论文原创性声明本人郑重声明本人所呈交的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，是本人在导师的指导下，在中国地质大学（武汉）攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果，对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的博士学位论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。学位论文作者签名日期年月日中国地质大学（武汉）学位论文使用授权书本人授权中国地质大学（武汉）可采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存本学位论文；学校可向国家有关部门或机构送交本学位论文的电子版全文，编入有关数据库进行检索、下载及文献传递服务；同意在校园网内提供全文浏览和下载服务。涉密论文解密后适用于本授权书。学位论文作者签名日期年月日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（1106M/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（060M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0031M）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3545M3/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00041时，换热器换热量同比无渗流时增大约5；当修正PE数01291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7148KM2。其中适宜区面积为1336KM2，较适宜区面积为2105KM2，不适宜区面积为3707KM2，分别占评价区总面积的1869、2945、5186。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。关键词地埋管换热器；FEFLOW；水热渗耦合热响应试验；适宜性评价THERMOHYDROCOUPLINGSIMULATIONOFBHEANDSHLLOWGEOTHERMALENERGYGEOLOGICALSUITABILITYASSESSMENTPHDCANDIDATEDENGDINGXINGSUPERVISORPROFWANJUNWEIABSTRACTSHALLOWGEOTHERMALENERGYISACLEANENERGYBURIEDDEEPBELOWTHESURFACEOFTHE200MWITHINTHESCOPEOFBECAUSEOFITSWIDEDISTRIBUTION,LARGERESERVES,HIGHEFFICIENCYANDNOPOLLUTION,ISMOREANDMOREWIDELYUSEDINCITYBUILDINGHEATINGANDREFRIGERATIONHOWEVER,THEIRUTILIZATIONSINCONSISTENTWITHTHEENORMOUSAMOUNTOFENERGYAVAILABLEUNDERNEATHTHESURFACEOFTHEEARTHPROJECTSOFTHISNATUREARENOTGETTINGTHEPUBLICSUPPORTTHEYDESERVEBECAUSEOFTHEUNCERTAINTIESASSOCIATEDWITHTHEM,ANDTHISCANPRIMARILYBEATTRIBUTEDTOTHELACKOFACOMPREHENSIVEACQUAINTANCEWITHTHEHEATTRANSFERPROCESSBETWEENTHEBOREHOLEEXCHANGERBHEANDTHESURROUNDINGSOILTHISSHORTAGECAUSEANARBITRARYDESIGNFORTHEBHES,WHICHWOULDLEADTOTHESERIOUSDROPINPERFORMANCEOFBHETHEUNCERTAINTIESOFTHEPERFORMANCEOFTHEBHEWOULDBRINGGREATBARRIERSOFTHEPROMOTIONOFTHENEWTECHNOLOGYFORTHISENERGYFIELDTOHAVEABETTERCOMPETITIVEPOSITIONINTHERENEWABLEENERGYMARKET,ITISVITALTHATENGINEERSACQUIREAPROPERUNDERSTANDINGABOUTTHEGROUNDSOURCEHEATPUMPGSHPTHISARTICLEAIMSATOBTAININGADEEPERUNDERSTANDINGABOUTTHEPROCESSOFTHEHEATTRANSFERBETWEENTHEBHEANDSURROUNDINGSOILWHICHISUNDERTHEBEHAVIOROFTHEGROUNDWATERSEEPAGEANDSUITABILITYEVALUATIONONDEVELOPMENTANDUTILIZATIONOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYFROMTHEREGIONALSCALEANDFIELDSCALE,BASEDONTHETHERMALRESPONSETESTPRINCIPLE,HEATTRANSFERINTHEHOLEANDHEATTRANSFEROUTOFTHEHOLE,INSITUTESTINFUZHOUFIELDANDACONDITIONSANDTHEMODELOFTHEBOREHOLEEXCHANGERUNDERCONDUCTIONMANNERSANDHEATINFILTRATESCOUPLINGMANNERSWASESTABLISHEDWITHFELOWTHEENERGYEFFICIENCY,HEATTRANSFERENDURANCEANDHEATTRANSFERINTHEUNITDEPTHWEREINTRODUCEDTOQUANTIFYTHEENERGYEFFICIENTANDTHEENDURANCEPERIODTHEPERFORMANCEOFABHEINSOILWITHANDWITHOUTGROUNDWATERSEEPAGEWASANALYZEDOFHEATTRANSFERPROCESSBETWEENTHESOILANDTHEWORKINGFLUIDBASINGONTHEMODEL,THEVARIEDREGULARITYOFENERGYEFFICIENCYPERFORMANCEANHEATTRANSFERENDURANCEWITHTHECONDITIONSINCLUDINGTHEDIFFERENTCONFIGURATIONOFTHEBHE,THESOILPROPERTIES,THERMALLOADCHARACTERISTICWEREDISCUSSEDDISCUSSIONFORMULTILAYERSOIL,STUDYTHEHEATTRANSFERCHARACTERISTICSUNDERTHECONDITIONSOFGROUNDWATERSEEPAGE,ANDCOMPAREITWITHTHESINGLELAYERSOILSHEATTRANSFERCHARACTERISTICSUNDERTHECONDITIONSOFGROUNDWATERSEEPAGETHEANDANINVESTIGATIONABOUTTHERMALDISPERSIVITYWASALSOANALYZEDITSINFLUENCEOFONHEATTRANSFERPERFORMANCETHEARTICLEFINALLYLAUNCHEDTHESHALLOWGEOTHERMALENERGYSUITABILITYEVALUATION,EVALUATIONOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYFORREGIONALSCALEBYUSINGTHEANALYTICHIERARCHYPROCESS,EVALUATIONTHEPRACTICALWORKINGCONDITIONOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYBYSIMULATIONULTIMATELY,THROUGHTHEABOVESTUDYOBTAINEDTHEFOLLOWINGCONCLUSIONS1ONTHECONDITIONOFNONSEEPAGE,HEATDIFFUSERADIALLYINTHESHAPEOFCIRCLEWHICHISEASYTOCAUSETHEACCUMULATIONOFHEATITTAKESLONGTIMEFORBOREHOLEEXCHANGERSTOREACHLOCALTHERMALEQUILIBRIUMOVER10YEARSONTHECONDITIONOFSEEPAGE1106M/S,HEATTRANSFERTHROUGHTHEUPSTREAMOFGROUNDWATERWOULDBEINHIBITED,BUTHEATTRANSFERTHROUGHTHEDOWNSTREAMCANREACHALONGERDISTANCEWHICHCANWEAKENTHENEGATIVEEFFECTCAUSEDBYHEATACCUMULATIONANDSHORTENTHETIMETHEBOREHOLEEXCHANGERSREACHTHELOCALTHERMALEQUILIBRIUMMEANWHILE,THEGROUNDWATERFLOWCANIMPROVETHETRANSFEREFFICIENCYOFTHEGROUNDSOURCEHEATPUMPGSHPWHENTHEBOREHOLEEXCHANGERSRUNCONTINUOUSLYTENYEARS,ITSHEATTRANSFERPOWERFORPERUNITDEPTHWILLINCREASE68（060MEXISTSSEEPAGEFLOW）COMPARINGWITHTHECONDITIONOFNONSEEPAGE2ONTHECONDITIONOFSEEPAGEANDNONSEEPAGE,THECHANGINGOFINITIALTEMPERATUREOFROCKANDSOILMASSHASNOEFFECTOFHEATTRANSFEREFFICIENCYHOWEVER,INTERMSOFREFRIGERATECONDITION,THELOWERTHEINITIALTEMPERATURE,THEHIGHERTHETEMPERATUREDIFFERENCEBETWEENTHEIMPORTANDEXPORTWATEROFTHEBOREHOLEEXCHANGERANDTHETIMETHEBOREHOLEEXCHANGERRUNATHIGHLEVELWILLBELASTINGFORALONGERTIMELOWERSOILTEMPERATUREWILLBEBETTERFORTHERUNNINGOFBOREHOLEEXCHANGERSINTHEAREAWHEREREFRIGERATIONISNEEDED3IFTHELENGTHOFBOREHOLEEXCHANGERINCREASED,THEHEATTRANSFERPOWERWILLBEENHANCEDANDTHETIMETHEBOREHOLEEXCHANGERRUNNINGATHIGHLEVELWILLBELONGER,BUTITDOESNOTMEANTHATTHEABILITYOFHEATTRANSFERCANBEREINFORCEDPERUNITOFTHEHEATTRANSFERPOWERISDETERMINEDBYTHETOTALAMOUNTOFHEATTRANSFERANDTHEDEPTHOFBOREHOLEEXCHANGERBEFOREDESIGNING,WESHOULDCONSIDERTHEAMOUNTANDTHEDEPTHOFTHEBHE4THEVELOCITYOFCIRCULATINGFLUIDINTHEBURIEDPIPEMUSTBEMAINTAINEDINTURBULENCEFLOWUNDERTHEPREMISETHEHEATPUMPWORKINGINORDER,THEQUICKERFLOWVELOCITY,THEBIGGERTHECAPACITYOFHEATTRANSFERBUTTHEBHEWHICHHAVEALARGEFLOWVELOCITYDEMANDSMOREPOWERFULCIRCULATINGPUMPSSOITISNECESSARYFORUSTOMAKEABALANCEBETWEENTHECAPACITYANDTHECOST,THECIRCULATINGLIQUIDRATEOFFLOWSHOULDBECONTROLLEDBETWEEN35M3/DTO45M3/D（THEINNERDIAMETEROFPIPEIS0031M）5BYTHETHERMALCONDITIONBHESOPERATIONSUSTAINABILITYRESEARCH,WEFOUNDTHATINWINTERANDSUMMERHEATCOLDHEATEXCHANGERUNBALANCEDCONDITION,THEREWILLBESOILTEMPERATUREIMBALANCE,BHEHEATCAPACITYDECREASEDGRADUALLYSOTHATSHALLOWGEOTHERMALENERGYISNOTSUSTAINABILITY,WESHOULDREGRADETHESHALLOWGEOTHERMALENERGYAS“ENERGYSTORAGE“TODEVELOPDETERMINETHEOPERATIONSTRATEGYOFHOTANDCOLDBALANCED,SUSTAINABLEDEVELOPMENTOFSHALLOWGROUNDTEMPERATURE6SETOFBURIEDBHEFORTHESAMEOPERATIONSTRATEGY,COMPARISONOFGROUNDWATERSEEPAGECONDITIONSANDGROUNDWATERSEEPAGECONDITIONSGROUPBHEOPERATINGCHARACTERISTICSANDTHECHANGEOFSOILTEMPERATUREFIELDRESULTSSHOWTHATINTHEPRESENCEOFGROUNDWATERSEEPAGECONDITIONSGROUPPIPEHEATEXCHANGEREXCHANGEREFFICIENCYCOEFFICIENTISBETTERTHANNOGROUNDWATERSEEPAGECONDITIONSOFHEATEXCHANGEREFFICIENCYCOEFFICIENTINTHETHREEKINDSOFOPERATIONSTRATEGY,SEEPAGETYPEGROUPBHEOFSURROUNDINGROCKANDSOILTEMPERATURECANMAINTAINARELATIVELYSTABLEFORMANYYEARS,SOTHEGROUNDHEATEXCHANGERSHOULDBEREGIONALSETTINGSANDGROUNDWATERRUNOFFCONDITIONSAREGOOD,ANDEVENCANTAKEENGINEERINGMEASURESTOINCREASETHEVELOCITYOFGROUNDWATERFLOWAROUNDTHEHEATEXCHANGER,TOIMPROVETHEHEATTRANSFERHEATTRANSFEREFFICIENCYANDHEATCAPACITYFORSUSTAINABLEDEVELOPMENT7THEBOREHOLEEXCHANGERWHICHISBURIEDINMULTILAYEREDROCKANDSOILMASS,USUALLYONLYEXISTSGROUNDWATERSEEPAGEINONELAYERTHEQUICKERSEEPAGEFLOWVELOCITYTHEBETTERFORHEATTRANSFERRINGTHEMODIFIABLEPECLETNUMBERWASSUMMARIZEDTOJUDGETHEINTENSITYOFHEATTRANSFERBYCONVECTIONWHENTHEMODIFIABLEPECLETNUMBERIS00041,THEAMOUNTOFHEATTRANSFERPOWERWILLINCREASE5COMPARINGWITHNONSEEPAGECASEANDWHENTHEMODIFIABLEPECLETNUMBERIS01291,THEAMOUNTOFHEATTRANSFERPOWERWILLINCREASE30COMPARINGWITHNONSEEPAGECASE8ACCORDINGTOTHETHERMALRESPONSETESTTRTWITHFORCEDGROUNDWATERSEEPAGE,ACONTRASTWASGIVENOUTBETWEENTHECIRCULATINGTEMPERATUREOFTHEBOREHOLEEXCHANGERANDTHEEMULATIONTEMPERATUREVALUEANDTHEAREAWHERETHESEEPAGEFLOWEXISTWASALSOINVESTIGATEDTHECOMPARISONRESULTSHOWSTHATTHEERRORBETWEENTHEEMULATIONVALUEANDTHEACTUALVALUECANBEACCEPTEDWITHINENGINEERINGPERMISSIBLEERRORRANGETHEFINALRESULTPROVESTHATTHEMODELOFHEATINFILTRATESCOUPLINGMODELESTABLISHEDINTHISCONTEXTISREASONABLE，WHICHCANBEAPPLIEDTOENGINEERINGDESIGN9ACCORDINGTOTHEAREAOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYASSESSMENT,THEFUZHOUAREASUITABLEFORTHEDEVELOPMENTANDUTILIZATIONOFSHALLOWGEOTHERMALAREAMAINLYCONCENTRATEDINTHEQUATERNARYMARINEPLAINANDRESIDUALSLOPEAREA,THEAREAAREEASYDRILLING,CONDUCTIVITYOFAQUIFER,GROUNDWATERRUNOFFALTERNATINGSTRONGTHETOTALAREAOFASSESSMENTAREAIS7148KM2THESUITABLEAREAIS1336KM2,THENOTSOSUITABLEAREAIS2105KM2,NOTSUITABLEFORTHEAREAIS3707KM2,ACCOUNTEDFORTHETOTALAREAOFASSESSMENTAREA,2945,5186AND186910INTHEFUZHOUAREAONTHESITESCALESUITABILITYEVALUATION,FROMTWOASPECTSOFLOWPOWEROFOFFICESPACEANDHIGHPOWERMEDIUMHOTELEVALUATION,EVALUATIONRESULTSSHOWTOMAKEHEATEXCHANGESYSTEMMORESUSTAINABLEOPERATION,DOESNOTAPPEARTEMPERATURECONTINUESTORISE,ACCUMULATIONOFHEATCONDUCTIONPHENOMENON,COOLINGANDHEATINGLOADIMBALANCERATESHOULDBESUITABLELESSTHAN45KEYWORDSBOREHOLEEXCHANGERBHEFEFLOWGROUNDWATERANDHEATINFILTRATESCOUPLINGMODELSUITABILITYEVALUATION目录第一章绪论111选题目的与意义112国内外研究现状及分析3121地埋管换热器纯导热模型的研究3122地埋管换热器在含水层中的换热模型研究3123浅层地温能适宜性评价研究5124待解决的问题512创新点513主要研究内容和技术路线图5第二章地埋管地源热泵工作原理分析721传热基本理论722浅层岩土体系统热动态均衡分析7221浅部圈层热动态均衡分析7222浅部地热能资源分布及温度场分布823饱和多孔介质的传热分析9231多孔介质中物质和热量的输运9232岩土体热物性参数924钻孔换热器内部的传热分析1225水热耦合模拟方法14第三章原位热响应试验1631热响应试验理论基础16311热响应试验简介16312理论公式推导17313测试孔内传热理论19314热响应试验传热理论2332福州地区原位热响试验24321福州市基本概况24322试验区场地概况25323典型场地热物性参数计算29第四章无渗流型地埋管地源热泵换热特征分析3541物理模型与数学模型35411物理模型35412数学模型35413初始条件与边界条件3552无地下水渗流作用的热响应试验验证与分析3643无渗流条件下数值计算模型条件3944无渗流型地埋管地源热泵换热分析4045无渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析43451地下岩土体性质的影响43452地埋管自身特性的影响4746无渗流条件下群管的换热特征分析52461无渗流条件下群管换热过程分析52462无渗流条件下群管运行的可持续性研究5547本章小结59第五章渗流型地埋管地源热泵换热特征分析6051物理模型与数学模型60511物理模型60512数学模型60513初始条件与边界条件6152有地下水渗流作用的热响应试验验证与分析61521试验系统与试验流程63522试验结果分析6453渗流型地埋管换热器换热计算模型条件6754渗流型地埋管地源热泵换热特性分析6755渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析69551地下岩土体性质的影响69552地埋管自身特性的影响7356渗流条件下下群管运行的换热特性分析7657渗流条件下系统运行的可持续性研究8058多层岩土体地埋管换热器换热特性分析8659本章小结90第六章浅层地温能适宜性评价9161区域性地埋管地源热泵适宜性评价91611区域性地埋管地源热泵适宜性分区评价的原则与依据91612区域性地埋管地源热泵适宜性的评价92613区域地埋管地源热泵适宜性分区评价的验证9662场地尺度下的地埋管地源热泵适宜性评价98621场地评价模拟的初始条件及换热器运行策略99622小型办公场地（小）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价100623中型宾馆场地（大）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价10363本章小结107第七章结论与建议10871结论10872建议109致谢110参考文献111第一章绪论11选题目的与意义近年来，浅层地温能作为一种清洁、无污染的新能源，正越来越受到关注，越来越多地被应用于日常生活中的供暖与制冷当中。浅层地温能是一种新型的优质清洁能源，具有分布广、储量大、再生迅速、清洁环保、利用价值大等特点。按照分级用能原则，它是最适合生活用能（供暖/制冷）需求的清洁能源。浅层地温能之所以是可再生的清洁能源，是由它所处空间位置及其自身特性所共同决定的。浅层岩土体200M深度范围内，在太阳辐射及地球内部地热能量输入的共同作用下，浅层岩土体按其纵向温度的变化特征，表层可以分为三个温度层变温层、恒温层及增温层。变温层受太阳辐射的影响明显，其温度分布特征有着逐日、逐月、逐年甚至逐世纪的周期变化，其厚度一般较薄，一般为1520M；恒温层在太阳辐射及内部地热梯度共同作用下，温度基本保持不变，厚度一般为2535M；增温层位于恒温层之下，受地热梯度的影响明显，温度随着深度的增加而升高，温升率一般为3/100M。通常情况下，为保证换热高效地进行，地下换热器底部位置不会超过恒温层的下界面。埋设于地下的地源热泵系统，按其工作方式，可分为开系统与闭系统两种工作形式，如下图11所示，这两种系统亦可称为地下水地源热泵系统（开系统）与地埋管地源热泵系统（闭系统）。图11地源热泵系统两种工作方式1地下水地源热泵系统（开系统）是从抽水井中抽取地下水，经过换热器的地下水再回灌到原来的地下含水层。但是，地下水地源热泵的实际应用也受到诸多方面的限制。首先，开系统需要有丰富的地下水资源作为应用的前提条件。若待应用区地下水水位埋深较深，不仅造成前期成井费用的增加，而且循环水泵的耗电也将大幅加大。其次，在很多区域，实际地质条件下回灌井的回灌速度远低干抽水的速度，若要保证抽取的地下水完全回灌回含水层，回灌井的数量一般都要多于抽水井的数量。另外，保证利用的含水层不受污染也是地下水地源热泵应用技术的技术难点。因此，本文研究的是另一种更清洁的利用方式地埋管地源热泵系统（闭系统）。地埋管地源热泵系统却不一样，它是一个与外界只有热量交换而没有物质交换的闭系统，它不会产生环境污染问题，更体现了浅层地温能资源的清洁性，因此近年来也更受各国推崇。地埋管地源热泵系统在地下的主体部分是一个由地下埋管组成的地埋管换热器BOREHOLEHEATEXCHANGER，或GEOTHERMALHEATEXCHANGER，它通过循环流体水或以水为主要成分的防冻液在封闭的埋管中流动，实现系统与周围岩土体之间的换热。地埋管换热器主要有两种工作形式，即水平埋管和竖直埋管，见图12。水平埋管是在地面浅层深度（12M）挖较浅的沟，在每个沟中埋设一定数量的PE埋管；竖直埋管是在岩土体中钻进直径为01015M的钻孔，在钻孔中设置1组（单U）或2组（双U）PE管并用回填材料填实，其深度一般为40200M。待建区可用的地表面积是地埋管换热器工作形式的关键因素。相比而言，竖直地埋管换热器更节省土地面积，因此也更适合我国的实际国情。图12竖直与水平地埋管地源热泵示意图2为了使得地源热泵技术得到推广，我国开展了一系列浅层地温能调查工作。本研究依托中国地质调查局省会城市浅层地温能调查评价项目“福州市浅层地温能调查”及“平潭综合实验区浅层地温能资源调查与评价”项目，“福州市浅层地温能调查评价”项目是中国地质调查局组织实施的2011年度地质矿产调查评价专项“全国地热资源调查评价”计划项目中的工作项目。在基本查清福州市区和平潭综合实验区浅层地温能的埋藏、分布规律及循环特征的前提下，进一步开展专项课题调查，为到达本文的研究目的，选取若干试验场地进行特殊设计的地下水渗流热传导耦合综合试验，为本论文的开展提供试验支撑。对地下水渗流条件下地埋管换热器换热特征的进一步研究成果，对其它地下水径流发育地区地源热泵系统的研究有较大借鉴意义，对地源热泵技术的推广具有工程指导意义。为福州沿海地区进一步勘查、科学规划与开发，提高可再生能源利用能力与水平，保护生态环境，促进社会经济可持续发展，提供技术支持。12国内外研究现状及分析121地埋管换热器纯导热模型的研究欧美国家对地埋管换热器的基础理论研究开始的很早，在1948年，INGERSOLL首先提出了至今都有应用的线热源理论3；随后，CARSLAW和JAEGER提出了一种改进了的线热源理论圆柱热源理论4，这一理论模型包括定壁温和定热流两种模型；VCMEI等人提出了基于三维瞬态远边界的传热模型5,6，将系统分为运行、停止两个状态分别建立能量方程。而在工程应用中，开发了各种计算工具，如SPITLER于2000年开发，并应用于商业建筑埋管换热器设计的GLHEPRO7软件；HELLSTROM分别于1995年、2001年开发了DSTFORTRNSYS8和EED9（EARTHENERGYDESIGNER）软件，在不考虑渗流作用情况下可简便地进行地埋管换热器的相关设计；同样，对于地下水流动很微弱的地区，国际地源热泵协会IGSHPA推荐采用IGSHPA法，这种方法的设计、模拟方法是基于无限长线热源模型来展开的。国内对地埋管换热器的基础理论及模型的研究起步较晚，前期主要针对相关实验展开，如于立强对竖直型地埋管地源热泵进行了研究（实验室尺度）10；1999年5月，李元旦、张旭建成了地埋管地源热泵实验台，并进行了相关的试验研究11；张旭等针对水平型地埋管地源热泵，开发了相关的试验装置，并对其各项技术进行了较深层次研究。近十年来，对基础性的研究越来越重视。潘玉亮对一维非稳态换热模型进行了研究12；仇中柱建立了二维非稳态模型，研究地埋管换热器与其周围岩土体之间的换热，并计算出换热器的换热作用半径13；范蕊14提出了准三维非稳态U型地埋管换热的换热模型，对岩土体的蓄冷与耦合热泵系统进行研究，取得的实际结果与模拟值吻合较好。由此可见，早期用于地埋管换热器的计算模型和方法，大多是建立在纯导热基础上的，但未考虑地下水渗流的作用对系统换热的影响。122地埋管换热器在含水层中的换热模型研究国外最早一批对地埋管换热器进行研究的学者ESKILSON认为地下水流动对于埋管换热器的换热过程的影响是微不足道的，他认为在渗流流速为15108M/S时，相比于纯导热的情况，换热能力只提高了不到215；但是ESKILSON研究的对象为基岩岩体，对于埋设于孔隙介质中的地埋管换热器，其地下水渗流流速变化范围极大。CARSLAW提出的移动线热源理论16，为定量研究地下水渗流流动对换热器换热影响提供了技术支撑；SUTTON在移动线热源理论的基础上建立了瞬态解析解模型，研究以热传导及热对流两种换热方式的水热耦合换热过程17；MOLINAGN等在此基础上利用无量纲PECLET数来判断渗流流动对换热过程影响的相对强弱18。地埋管换热器经常以群管、间歇状态运行，运用解析解模型就显得很困难了。在此背景下，数值模型越来越多地运用于地埋管换热器的前期设计与研究当中，MT3DMS、FEFLOW、COMSOL及ANSYS等模拟软件均可对地埋管换热器的换热过程进行模拟。CHIASSON19、GEHLIN20模拟了地埋管在长期运行后岩土体温度场的变化情况，并与无渗流工况作了比较；PILLER、LIUZZOSCORPO利用COMSOL建立了有渗流流动的二维换热器传热模型21，对换热器周围岩土体的温度进行模拟分析，与解析解对比后发现，数值模拟温度与解析解所得温度的差值随着渗流流速的增大而增大，说明传统的解析模型对于高渗流流速的情况已不适用；FUJII建立了有渗流流动的单U型地埋管换热器的数值模型22，并与传统的圆柱型传热模型进行对比分析，发现当特征长度选用为单根埋管外径时，PECLET数小于01时，换热器的换热能力提升很小，而PECLET数达到1时，换热器换热能力提升了约100；ZANCHINI利用COMSOL分析了地埋管地源热泵系统在夏季、冬季换热负荷不平衡时的换热特性，发现在地埋管地源热泵长时间运行后，很小的渗流流速对换热器的换热能力都有一定的提升23；HECHTMNDEZJ模拟了25个管群换热器长期运行后周围岩土体温度场的分布情况，并讨论了不同运行特征对岩土体温度场的影响24。在基础性试验研究方面，国外近年来也做了大量工作。SIGNORELLI25利用数值模型对热响应试验过程中影响试验结果的各影响因素进行了敏感性分析，并与解析模型进行了对比；WITTEHJL26，FOCACCIA27分别开发了专门的计算程序以便于工程设计人员从热响应试验中获取热物性参数；RAYMOND28、BEIER29等分别对钻孔换热器附近的温度场、气温变化对热响应试验测试结果的影响展开。很多学者也注意到渗流对热响应测试结果的影响，WAGNER30、KATSURA31研究了在渗流场作用下热响应试验孔进出口温度、周围岩土体温度场的变化情况；HUBERD设计了强制渗流流动作用下换热器换热效果的变化情况32。在考虑渗流作用的同时，学者们越来越多了对热弥散作用对岩土体温度场的影响展开了工作。METZGER利用试验，分析不同程度的热弥散作用对换热器换热效果的影响差异33；MOLINAGIRALDO利用解析法研究了热弥散作用对换热器周围岩土体温度场分布的影响34；WAGNER,VALENTIN利用FEFLOW软件，对换热器按照第三类边界进行设置，对热响应试验进行了敏感性分析，并着重讨论了热弥散作用对测试结果的影响35；CASASSO对地埋管地源热泵系统运行过程中的影响换热性能的因素进行了敏感性分析，并考虑了换热器长期工作后热弥散作用对换热器换热周围岩土体热量堆积的有效削弱36。近年来，国内学者也开始关注地下水渗流对地埋管换热器换热可能产生的重要影响。刁乃仁在移动热源理论的基础上利用解析法求解了有均匀渗流的二维温度解37,38；李新国39、於仲义40等利用AUTOUGH2、FLUENT软件对地埋管换热器的传热基础性理论展开讨论，并对有渗流作用的工况进行了对比分析，其中本文对於仲义提出的换热能效系数进行进一步探讨分析；王勇针对换热器的变负荷的运行状态进行了分析41；徐坚对间歇运行的地埋管换热器换热特性进行了分析42；马学利43、王松涛44针对埋设于基岩地区的地埋管换热器换热过程进行了分析，并与埋设于第四系地区的换热器换热性能进行了对比；康龙、杨卫波、潘彦凯等对地埋管地源热泵的换热优化进行了相关研究，并提出一系列相应调整措施4547；宋景娜、马宏权、潘玉亮、朱红芬等对地埋管地源热泵长期运行后可能引发的热不平衡问题展开了讨论，并对其可能引发的地质环境问题进行了预测4851。由此可见，国内虽然有一部分学者对渗流作用下的地埋管地源热泵系统的换热特性进行了一定程度的研究，但大部分都是在很多假定条件下进行的，因此，与真实情况下运行的地埋管换热器的换热过程就有很大差异了，且国内尚未有学者对热弥散作用对地埋管换热器的换热特性的影响作过分析。123浅层地温能适宜性评价研究在进行地源热泵评价的过程中，适宜性分区是一个重要的环节，无论是地埋管地源热泵系统还是地下水源热泵系统，都必须在资源评价之前进行适宜性分区。近年来主要的分区方法都是采取评价指标因素的方法进行评价，主要有指标法、层次分析法和模糊数学法。一般步骤为选取若干个相关评价指标，主要选取对换热器导热影响相关性较大的指标。然后对选取的研究指标进行逐一赋分，之后叠加起来计算总分，最后将其划分为适宜区或较适宜区或不适宜区。针对场地尺度的适宜性评价则一般通过数值模拟手段，计算热泵系统的可持续利用性。124待解决的问题在综合对比分析了国外及国内对地埋管地源热泵的研究现状后，发现国内关于地埋管换热器换热模型的研究亟需在以下方面作进一步工作现有大部分模型做了许多假设，如地下岩土体为各向同性，热物性参数为常数，忽略地下水流动等等。而实际地埋管换热器深度一般在40200M深度范围内，一般是由不同地层组成的，如细砂、粉砂、粘土以及基岩等。而不同岩性的岩土体热物性参数不同，造成不同地质层传热过程亦不同，因此应考虑不同地层岩土体热物性对传热的不同影响；在已有的地埋管地源热泵系统分析中，大部分研究者认为地下水渗流流速很小，对地埋管地源热泵的换热性能影响也可忽略。笔者对此持不同意见地埋管换热器埋设深度在40200M范围内，这么深的范围内或多或少的存在地下水渗流，而且在饱和多孔介质中流动的地下水，其渗流流速随岩性变化明显，地下水的流动必然会对地埋管换热器周围岩土体的温度场有较大影响；现有的研究都只考虑了热传导作用及热对流作用，对在多孔介质中产生的机械热弥散作用均未作考虑。如何综合考虑三种热作用方式对地埋管换热器换热特性产生的影响，需要作进一步的探讨分析。13创新点（1）利用数值模拟技术，探究了机械热弥散作用对地埋管换热器换热过程的影响，并针对热弥散度取值不同时地埋管换热器的换热特征差异进行了初步分析。（2）通过抽水井人为控制换热器周围地下水流速，建立了基于地下水渗流条件下的热渗耦合热响应试验，并对本研究所建立的渗流型地埋管换热器换热模型进行分析与验证。14主要研究内容和技术路线图针对前人在研究地埋管换热器问题时，忽略地下水流动的情况。结合福州市平潭综合实验区开展进一步的试验工作，并于2013年12月开始进行第一个试验场地的设计性试验。设计性试验主要解决在有地下水渗流存在条件下地埋管换热器换热性能变化情况及其周围岩土体温度场的变化差异，并利用FEFLOW软件建立数值模型来分析研究特定渗流场条件下地埋管换热器的换热特性。具体内容如下（1）回顾前人关于地埋管换热器换热特性的分析，包括钻孔内部传热特征及钻孔外（周围岩土体）的传热特征，并借鉴於仲义40所提出的换热能效系数、有效换热持续时间这两个参数用来定量评价换热器的换热特性。对所采用的模拟软件FEFLOW的水热耦合模拟原理进行基本阐述，并介绍其进行地埋管换热器换热模拟的基本步骤。（2）利用数值模拟，对比分析有、无地下水渗流流动时岩土体中的地埋管（或群管）换热特性差异，分析岩土体自身性质、地埋管结构特征及换热负荷特征对地埋管换热器的换热能效系数、有效换热持续时间及单位深度换热量的影响，为基础的设计及优化提供相关建议。（3）分析研究多层型岩土体中存在单层地下水渗流流动时的换热特性，并利用不同流速条件下换热器单位深度换热量变化特征，分析修正的PECLET数与换热量增幅之间的对应关系。（4）建立强制渗流的热渗耦合原位热响应试验，对本文所建立的基于渗流流动作用的地埋管换热器换热模型进行验证。（5）分别从区域尺度和场地尺度对地埋管换热器进行适宜性评价。原位热响应试验数值模型建立导热型地埋管地源热泵换热特征分析渗流型地埋管地源热泵换热特征分析地埋