【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稿4

分类号密级UDC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学号博士生学科专业水文与水资源工程指导教师教授所在学院环境学院二一五年三月学校代码10491研究生学号（三宋）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邓鼎兴学科专业水文与水资源工程指导教师万军伟教授二一五年三月ADISSERTATIONSUBMITTEDTOCHINAUNIVERSITYOFGEOSCIENCESFORTHEDOCTORDEGREEOFHYDROLOGYANDWATERRESOURCESENGINEERINGHEATTRANSFERMODELLINGOFTHEBOREHOLEEXCHANGERUNDERTHEGROUNDWATERFLOWANDSHALLOWGEOTHERMALENERGYSUITABILITYEVALUATIONPHDCANDIDATEDENGDINGXINGMAJORHYDROLOGYANDWATERRESOURCESENGINEERINGSUPERVISORWANJUNWEICHINAUNIVERSITYOFGEOSCIENCESWUHAN430074PRCHINA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作者简介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邓鼎兴指导教师万军伟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（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，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平衡率应该不大于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HEATTRANSFERMODELLINGOFTHEBOREHOLEEXCHANGERUNDERTHEGROUNDWATERFLOWANDSHALLOWGEOTHERMALENERGYSUITABILITYEVALUATIONPHDCANDIDATEDENGDINGXINGSUPERVISORWANJUNWEIABSTRACTGEOTHERMALHEATISAVIABLESOURCEOFENERGYANDITSENVIRONMENTALIMPACTINTERMSOFCO2EMISSIONSISSIGNIFICANTLYLOWERTHANCONVENTIONALFOSSILFUELSSHALLOWGEOTHERMALSYSTEMSAREINCREASINGLYUTILIZEDFORHEATINGANDCOOLINGBUILDINGSANDGREENHOUSESHOWEVER,THEIRUTILIZATIONSINCONSISTENTWITHTHEENORMOUSAMOUNTOFENERGYAVAILABLEUNDERNEATHTHESURFACEOFTHEEARTHPROJECTSOFTHISNATUREARENOTGETTINGTHEPUBLICSUPPORTTHEYDESERVEBECAUSEOFTHEUNCERTAINTIESASSOCIATEDWITHTHEM,ANDTHISCANPRIMARILYBEATTRIBUTEDTOTHELACKOFACOMPREHENSIVEACQUAINTANCEWITHTHEHEATTRANSFERPROCESSBETWEENTHEBOREHOLEEXCHANGERBHEANDTHESURROUNDINGSOILTHISSHORTAGECAUSEANARBITRARYDESIGNFORTHEBHES,WHICHWOULDLEADTOTHESERIOUSDROPINPERFORMANCEOFBHETHEUNCERTAINTIESOFTHEPERFORMANCEOFTHEBHEWOULDBRINGGREATBARRIERSOFTHEPROMOTIONOFTHENEWTECHNOLOGYFORTHISENERGYFIELDTOHAVEABETTERCOMPETITIVEPOSITIONINTHERENEWABLEENERGYMARKET,ITISVITALTHATENGINEERSACQUIREAPROPERUNDERSTANDINGABOUTTHEGROUNDSOURCEHEATPUMPGSHPTHISARTICLEAIMSATOBTAININGADEEPERUNDERSTANDINGABOUTTHEPROCESSOFTHEHEATTRANSFERBETWEENTHEBHEANDSURROUNDINGSOILWHICHISUNDERTHEBEHAVIOROFTHEGROUNDWATERSEEPAGEANDSUITABILITYEVALUATIONONDEVELOPMENTANDUTILIZATIONOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYFROMTHEREGIONALSCALEANDFIELDSCALE,THROUGHTHEORYANALYSIS,THEMODELOFTHEBOREHOLEEXCHANGERUNDERCONDUCTIONMANNERSANDHEATINFILTRATESCOUPLINGMANNERSWASESTABLISHEDWITHFELOWTHEENERGYEFFICIENCY,HEATTRANSFERENDURANCEANDHEATTRANSFERINTHEUNITDEPTHWEREINTRODUCEDTOQUANTIFYTHEENERGYEFFICIENTANDTHEENDURANCEPERIODTHEPERFORMANCEOFABHEINSOILWITHANDWITHOUTGROUNDWATERSEEPAGEWASANALYZEDOFHEATTRANSFERPROCESSBETWEENTHESOILANDTHEWORKINGFLUIDBASINGONTHEMODEL,THEVARIEDREGULARITYOFENERGYEFFICIENCYPERFORMANCEANHEATTRANSFERENDURANCEWITHTHECONDITIONSINCLUDINGTHEDIFFERENTCONFIGURATIONOFTHEBHE,THESOILPROPERTIES,THERMALLOADCHARACTERISTICWEREDISCUSSEDFOCUSONTHEHEATTRANSFERPROCESSINMULTILAYERSOILWHICHONELAYEREXISTGROUNDWATERFLOWANDANINVESTIGATIONABOUTTHERMALDISPERSIVITYWASALSOANALYZEDITSINFLUENCEOFONHEATTRANSFERPERFORMANCEEVALUATIONOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYFORREGIONALSCALEBYUSINGTHEANALYTICHIERARCHYPROCESS,EVALUATIONTHEPRACTICALWORKINGCONDITIONOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYBYSIMULATIONULTIMATELY,SOMECONCLUSIONSWEREREACHEDASBELOW1ONTHECONDITIONOFNONSEEPAGE,HEATDIFFUSERADIALLYINTHESHAPEOFCIRCLEWHICHISEASYTOCAUSETHEACCUMULATIONOFHEATITTAKESLONGTIMEFORBOREHOLEEXCHANGERSTOREACHLOCALTHERMALEQUILIBRIUMOVER10YEARSONTHECONDITIONOFSEEPAGE1106M/S,HEATTRANSFERTHROUGHTHEUPSTREAMOFGROUNDWATERWOULDBEINHIBITED,BUTHEATTRANSFERTHROUGHTHEDOWNSTREAMCANREACHALONGERDISTANCEWHICHCANWEAKENTHENEGATIVEEFFECTCAUSEDBYHEATACCUMULATIONANDSHORTENTHETIMETHEBOREHOLEEXCHANGERSREACHTHELOCALTHERMALEQUILIBRIUMMEANWHILE,THEGROUNDWATERFLOWCANIMPROVETHETRANSFEREFFICIENCYOFTHEGROUNDSOURCEHEATPUMPGSHPWHENTHEBOREHOLEEXCHANGERSRUNCONTINUOUSLYTENYEARS,ITSHEATTRANSFERPOWERFORPERUNITDEPTHWILLINCREASE68（060MEXISTSSEEPAGEFLOW）COMPARINGWITHTHECONDITIONOFNONSEEPAGE2ONTHECONDITIONOFSEEPAGEANDNONSEEPAGE,THECHANGINGOFINITIALTEMPERATUREOFROCKANDSOILMASSHASNOEFFECTOFHEATTRANSFEREFFICIENCYHOWEVER,INTERMSOFREFRIGERATECONDITION,THELOWERTHEINITIALTEMPERATURE,THEHIGHERTHETEMPERATUREDIFFERENCEBETWEENTHEIMPORTANDEXPORTWATEROFTHEBOREHOLEEXCHANGERANDTHETIMETHEBOREHOLEEXCHANGERRUNATHIGHLEVELWILLBELASTINGFORALONGERTIMELOWERSOILTEMPERATUREWILLBEBETTERFORTHERUNNINGOFBOREHOLEEXCHANGERSINTHEAREAWHEREREFRIGERATIONISNEEDED3IFTHELENGTHOFBOREHOLEEXCHANGERINCREASED,THEHEATTRANSFERPOWERWILLBEENHANCEDANDTHETIMETHEBOREHOLEEXCHANGERRUNNINGATHIGHLEVELWILLBELONGER,BUTITDOESNOTMEANTHATTHEABILITYOFHEATTRANSFERCANBEREINFORCEDPERUNITOFTHEHEATTRANSFERPOWERISDETERMINEDBYTHETOTALAMOUNTOFHEATTRANSFERANDTHEDEPTHOFBOREHOLEEXCHANGERBEFOREDESIGNING,WESHOULDCONSIDERTHEAMOUNTANDTHEDEPTHOFTHEBHE4THEVELOCITYOFCIRCULATINGFLUIDINTHEBURIEDPIPEMUSTBEMAINTAINEDINTURBULENCEFLOWUNDERTHEPREMISETHEHEATPUMPWORKINGINORDER,THEQUICKERFLOWVELOCITY,THEBIGGERTHECAPACITYOFHEATTRANSFERBUTTHEBHEWHICHHAVEALARGEFLOWVELOCITYDEMANDSMOREPOWERFULCIRCULATINGPUMPSSOITISNECESSARYFORUSTOMAKEABALANCEBETWEENTHECAPACITYANDTHECOST,THECIRCULATINGLIQUIDRATEOFFLOWSHOULDBECONTROLLEDBETWEEN35M3/DTO45M3/D（THEINNERDIAMETEROFPIPEIS0031M）5BYTHETHERMALCONDITIONBHESOPERATIONSUSTAINABILITYRESEARCH,THATSHALLOWGEOTHERMALENERGYISNOTSUSTAINABILITY,WESHOULDREGRADETHESHALLOWGEOTHERMALENERGYAS“ENERGYSTORAGE“TODEVELOP6INTHESAMECONDITION,THESEEPAGETYPEBHESSUSTAINABILITYISOBVIOUSLYBETTERTHANTHERMALCONDUCTIVITYTYPEBHESSUSTAINABILITY7THEBOREHOLEEXCHANGERWHICHISBURIEDINMULTILAYEREDROCKANDSOILMASS,USUALLYONLYEXISTSGROUNDWATERSEEPAGEINONELAYERTHEQUICKERSEEPAGEFLOWVELOCITYTHEBETTERFORHEATTRANSFERRINGTHEMODIFIABLEPECLETNUMBERWASSUMMARIZEDTOJUDGETHEINTENSITYOFHEATTRANSFERBYCONVECTIONWHENTHEMODIFIABLEPECLETNUMBERIS00041,THEAMOUNTOFHEATTRANSFERPOWERWILLINCREASE5COMPARINGWITHNONSEEPAGECASEANDWHENTHEMODIFIABLEPECLETNUMBERIS01291,THEAMOUNTOFHEATTRANSFERPOWERWILLINCREASE30COMPARINGWITHNONSEEPAGECASE8ACCORDINGTOTHETHERMALRESPONSETESTTRTWITHFORCEDGROUNDWATERSEEPAGE,ACONTRASTWASGIVENOUTBETWEENTHECIRCULATINGTEMPERATUREOFTHEBOREHOLEEXCHANGERANDTHEEMULATIONTEMPERATUREVALUEANDTHEAREAWHERETHESEEPAGEFLOWEXISTWASALSOINVESTIGATEDTHECOMPARISONRESULTSHOWSTHATTHEERRORBETWEENTHEEMULATIONVALUEANDTHEACTUALVALUECANBEACCEPTEDWITHINENGINEERINGPERMISSIBLEERRORRANGETHEFINALRESULTPROVESTHATTHEMODELOFHEATINFILTRATESCOUPLINGMODELESTABLISHEDINTHISCONTEXTISREASONABLE，WHICHCANBEAPPLIEDTOENGINEERINGDESIGN9ACCORDINGTOTHEAREAOFSHALLOWGEOTHERMALENERGYASSESSMENT,THEFUZHOUAREASUITABLEFORTHEDEVELOPMENTANDUTILIZATIONOFSHALLOWGEOTHERMALAREAMAINLYCONCENTRATEDINTHEQUATERNARYMARINEPLAINANDRESIDUALSLOPEAREA,THEAREAAREEASYDRILLING,CONDUCTIVITYOFAQUIFER,GROUNDWATERRUNOFFALTERNATINGSTRONG10INFUZHOUAREA,ATTHESITESCALETOMAKEHEATEXCHANGESYSTEMSUSTAINABLETHECOLDLOADANDHEATLOADIMBALANCERATESHOULDBENOMORETHAN45KEYWORDSBOREHOLEEXCHANGERBHEFEFLOWGROUNDWATERANDHEATINFILTRATESCOUPLINGMODELSUITABILITYEVALUATION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4124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21314热响应试验传热理论2532福州地区原位热响试验26321福州市基本概况26322试验区场地概况26323典型场地热物性参数计算31第四章无渗流型地埋管地源热泵换热特征分析3741物理模型与数学模型37411物理模型37412数学模型37413初始条件与边界条件3752无地下水渗流作用的热响应试验验证与分析3843无渗流条件下数值计算模型条件4144无渗流型地埋管地源热泵换热分析4245无渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析45451地下岩土体性质的影响45452地埋管自身特性的影响4946无渗流条件下群管的换热特征分析54461无渗流条件下群管换热过程分析54462无渗流条件下群管运行的可持续性研究5747本章小结61第五章渗流型地埋管地源热泵换热特征分析6351物理模型与数学模型63511物理模型63512数学模型63513初始条件与边界条件6452有地下水渗流作用的热响应试验验证与分析64521试验系统与试验流程66522试验结果分析6753渗流型地埋管换热器换热计算模型条件7054渗流型地埋管地源热泵换热特性分析7055渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析72551地下岩土体性质的影响72552地埋管自身特性的影响7656渗流条件下下群管运行的换热特性分析8057渗流条件下系统运行的可持续性研究8358多层岩土体地埋管换热器换热特性分析9059本章小结94第六章浅层地温能适宜性评价9561区域性地埋管地源热泵适宜性评价95611区域性地埋管地源热泵适宜性分区评价的原则与依据95612区域性地埋管地源热泵适宜性的评价96613区域地埋管地源热泵适宜性分区评价的验证10162场地尺度下的地埋管地源热泵适宜性评价103621场地评价模拟的初始条件及换热器运行策略103622小型办公场地（小）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价104623中型宾馆场地（大）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价10863本章小结111第七章结论与建议11371结论11372建议114致谢115参考文献116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的开展，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，在典型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；MOLINAGIRALDO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；HECHTMENDEZ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）利用数值模拟软件，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）通过人为控制地下水水力坡度，建立了基于强制渗流作用的热渗耦合热响应试验，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以上问题，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管地源热泵水热耦合模拟区域性地埋管地源热泵适宜性评价场地尺度地埋管地源热泵适宜性评价浅层地温能适宜性评价地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价图13技术路线图第二章地埋管地源热泵工作原理分析21传热基本理论一般来说，热量的传输方式有三种热传导、热对流及热辐射。在有地下水渗流作用存在的多孔介质中，上述三种基本传热方式可表现为以下六种传输途径（LAGARDE1965）（A）由于热传导作用，固相（当作连续介质）输运的热量；（B）由于热传导作用，液相（当作连续介质）输运的热量；（C）由于对流作用，通过液相（当作连续介质）输运的热量；（D）由于热弥散作用，通过液相输运的热量；（E）热量由固相迁移到液相；（F）当流体为气体时，由于辐射作用造成固体颗粒间的热量迁移。在通过饱和多孔介质流动的实际情形中，一般可以忽略岩土体中的热辐射作用。在地下岩土体中，以上六种传输途径可概括为以下三种传热模式（1）热传导作用由温度梯度驱动，通过固相自身、液相自身以及固相液相之间的热扩散传输；（2）热对流作用通过液相（连续介质）的对流产生的热量传输；（3）热弥散作用热弥散产生的热输运现象与流体动力弥散产生的物质输运现象类似。造成热弥散的原因，主要是由于颗粒和互相连通的空隙系统的存在使得局部速度分布不均一造成的。热弥散作用的存在强化了流体所携带的热量的传播。本次研究对象是饱和含水层，因此以下关于传热理论的分析是以饱和含水层进行展开讨论的。22浅层岩土体系统热动态均衡分析浅层岩土体指的是由地表到地表以下200M深度范围内的岩土体，系统随着热量的传入和消耗而维持动态均衡。221浅部圈层热动态均衡分析地球浅部热量均衡分为两部分热量的传入和自身消耗（包括向外部进行对流换热）。热量的传入分为两部分一部分是由地球深部的构造运动及内部长寿命的放射性同位素衰减所进行的热核反应生成的能量，这一部分热量传入可称为内部传入；另一部分是由于太阳辐射而对地表产生日温度变化及季节性温度变化，再由地表往深部传递，这一部分热量输入可称为外部传入。相关学者监测数据表明，季节性的温度波动影响深度约为15米，而日温度的波动的影响下限仅为地表以下几米深。而热量的消耗主要是通过表层岩土体与空气发生对流换热而进行排热，并随着空气湿度、空气温度及风速的变化而发生着动态变化。另外，火山喷发及其长时间的热辐射也是热量消耗的一种方式。太阳每年通过辐射传递到地球浅层的热量大约为251024J，而地球内部形成的热量向浅部传输的大约为每年141021J。两者对比，前者大小为后者的1800倍55，示意图见图21。图21浅层岩土体系统热量补给大小示意图222浅部地热能资源分布及温度场分布在太阳辐射及内部地热能量输入的共同作用下，浅部岩土体按其纵向温度的变化特征，地球表层可以分为三个温度层变温层、恒温层及增温层。变温层受大气温度变化的影响明显，其温度变化特征有着很明显的随时间的周期变化特征，变温层厚度一般为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2030M；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。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。23饱和多孔介质的传热分析231多孔介质中物质和热量的输运饱和含水层为单一的地下水，其传热模式分别由热传导作用，热对流作用及热弥散作用组成。按照处理多孔介质中输运现象的一般方法，首先对各组分自身特性及其之间的相互作用过程进行限定（1）岩土体为均质、各向同性介质（针对单种岩性），并且固体骨架是均质的、不变形的；（2）地下水在化学性质上不活泼，各组分之间没有化学反应；它的密度不随压力发生变化，仅仅依赖于温度的变化；（3）忽略地下水在竖直方向上的渗流，流动限制在层流范围内；（4）假定水和岩土体之间的热平衡是瞬间达到的，即岩土体骨架与地下水具有相同的温度；（5）在地下水中不存在额外的热源或热汇（地埋管换热器除外）。1972年，JBEAR描述了多孔介质中水热耦合的热量输运方程52（21FFSIIJTINCCTQCTQTXX1）式中，为多孔介质孔隙度大小，、分别为固体骨架、地下水的密度大小（SF），、分别为固体骨架、地下水的比热容大小（），为在方3KG/MSCFJ/KG（）IQ向上地下水的流速大小（），为岩土体的综合等效传热系数（）。它由/IJW/M（）三部分组成，分别为在固体骨架中热量传递的部分、在地下水中热量传递的部分以及在地下水中热弥散产生的热量输运。（21FFSFIJSFFFIJIJIJTQIJLTQCONDISPCIJIJJCVV2）式中，、表示纵向、横向热弥散度的大小（），为地下水流速模数大小，LTMFVQ为克罗内克符号（IJ时为1，IJ时为0）。IJ232岩土体热物性参