摘要
随着全球节能减排的逐步推进，大力开发利用可再生能源是当前能源发展的趋势。中深层地热能作为一种清洁可再生能源，具有资源分布广且储量大的特点。用深埋管闭式换热对建筑供暖是中深层地热能利用的一种新技术，而埋管换热的理论及应用尚有诸多问题亟待解决。本文应用实验、数值和解析方法对深埋管换热的理论与技术展开研究，设计并搭建了可控埋管进水温度及换热强度的现场实验平台、开发了埋管换热的数值及解析模型、基于数值方法研究了埋管长年运行的换热特性及运行参数的优化等。 在深埋管换热现场实验中，依托西安市两个深度分别为2539m和2781m的套管式深埋管（C-DGHE）和U型管式深埋管（U-DGHE），设计并搭建了埋管换热的现场实验平台。基于实验平台中的控制系统以及热泵机组、冷却塔、板式换热器和电加热器等设备，实现了埋管进水温度和换热强度的精细调节，完成了恒定埋管进水温度及换热强度的多组实验工况。所得实验结果反映了埋管短期换热的真实特性，对埋管换热计算模型的建立提供了重要依据。 在深埋管换热数值模型研究中，基于埋管换热的现场实验及换热机理，建立了耦合管内外换热的全尺寸动态数值计算模型。所建数值模型重点解决了管内径向小尺度、管外径向大尺度以及轴向大尺度耦合的网格稳定性及计算结果的可靠性。通过编写可读入ANSYSFluent的UDF文件及TUI语言，实现了埋管以年为周期长年换热的个性化边界赋值及全自动计算。 在深埋管换热解析模型研究中，基于无限长线热源模型和对数平均温差理论，建立了埋管换热可靠求解的解析模型。所建解析模型考虑了埋管周围岩土的分层岩性及温度的梯度分布，解决了埋管周围分层岩土的非稳态换热求解以及埋管与岩土换热过程中温度的轴向传递。 本文基于所建数值模型研究了深埋管长年运行的换热特性，并应用多因素分析等方法对运行参数进行了优化。具体内容及主要结论包括：（1）研究了以年为周期供暖时埋管50年运行的换热稳定性，分析了埋管周围的岩土温度响应；研究表明埋管长年运行的换热衰减主要发生在前5年，第5年的逐年衰减率小于3%。（2）分析了C-DGHE和U-DGHE连续运行5年的换热性能，量化了两种型式埋管的换热性能优劣；研究表明C-DGHE和U-DGHE在相同埋深下的单位延米换热强度优劣存在一个临界流率GC，当埋管流率小于GC时C-DGHE的更优，反之则U-DGHE更优，本研究条件下GC为8.63amp;nbsp;kg/s。（3）设计了多因素正交模拟工况以分析不同影响因素及对应水平下的埋管换热性 能，提出了水平排序与权重分析法来确定因素的最优水平及其对埋管换热性能的贡献率；以埋管延米换热量、热泵机组性能系数及换热量衰减率为换热性能评估参数时，得到各评估参数权重相同时的因素贡献率排序依次为岩土导热系数、埋管深度、进水温度、地温梯度及埋管流率。（4）研究了不同动态负荷供暖模式及不同多管布局下的埋管换热特性，提出了提升埋管建筑供暖潜力的负荷优化策略及多管布局形式；研究表明以不保证埋管进水温度供暖天数或负荷削峰的模式供暖时，埋管供暖面积提升明显；多管换热时，以等边三角形为基本单元的插排管群布置优于以一字形为基本单元的顺排管群布置。 本文所做工作旨在为完善深埋管的换热求解方法、指导埋管换热系统的可靠设计及运行、分析优化埋管换热的影响因素、提升埋管换热潜力等提供理论支撑和技术保障。
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