2019地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价.doc

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Shallow geothermal systems are increasingly utilized for heating and cooling buildings and greenhouses. However, their utilizations inconsistent with the enormous amount of energy available underneath the surface of the earth. Projects of this nature are not getting the public support they deserve because of the uncertainties associated with them, and this can primarily be attributed to the lack of a comprehensive acquaintance with the heat transfer process between the Borehole Exchanger (BHE) and the surrounding soil. This shortage cause an arbitrary design for the BHEs, which would lead to the serious drop in performance of BHE. The uncertainties of the performance of the BHE would bring great barriers of the promotion of the new technology. For this energy field to have a better competitive position in the renewable energy market, it is vital that engineers acquire a proper understanding about the Ground Source Heat Pump (GSHP). This article aims at obtaining a deeper understanding about the process of the heat transfer between the BHE and surrounding soil which is under the behavior of the groundwater seepage and suitability evaluation on development and utilization of shallow geothermal energy from the regional scale and field scale.,.Through theory analysis, the model of the borehole exchanger under conduction manners and heat infiltrates coupling manners was established with FELOW. The energy efficiency, heat transfer endurance and heat transfer in the unit depth were introduced to quantify the energy efficient and the endurance period. The performance of a BHE in soil with and without groundwater seepage was analyzed of heat transfer process between the soil and the working fluid. Basing on the model, the varied regularity of energy efficiency performance an heat transfer endurance with the conditions including the different configuration of the BHE, the soil properties, thermal load characteristic were discussed. Focus on the heat transfer process in multi-layer soil which one layer exist groundwater flow. And an investigation about thermal dispersivity was also analyzed its influence of on heat transfer performance. Evaluation of shallow geothermal energy for regional scale by using the analytic hierarchy process, Evaluation the practical working condition of shallow geothermal energy by simulation.Ultimately, some conclusions were reached as below：1.On the condition of non-seepage, heat diffuse radially in the shape of circle which is easy to cause the accumulation of heat. It takes long time for Borehole exchangers to reach local thermal equilibrium (over 10 years). On the condition of seepage(1×10-6m/s), heat transfer through the upstream of groundwater would be inhibited, but heat transfer through the downstream can reach a longer distance which can weaken the negative effect caused by heat accumulation and shorten the time the borehole exchangers reach the local thermal equilibrium. Meanwhile, the groundwater flow can improve the transfer efficiency of the Ground Source Heat Pump(GSHP).When the borehole exchangers run continuously ten years, its heat transfer power for per unit depth will increase 68%（060m exists seepage flow）comparing with the condition of non-seepage.2.On the condition of seepage and non-seepage, the changing of initial temperature of rock and soil mass has no effect of heat transfer efficiency. However, in terms of refrigerate condition, the lower the initial temperature, the higher the temperature difference between the import and export water of the borehole exchanger. And the time the borehole exchanger run at high level will be lasting for a longer time. Lower soil temperature will be better for the running of borehole exchangers in the area where refrigeration is needed.3.If the length of borehole exchanger increased, the heat transfer power will be enhanced and the time the borehole exchanger running at high level will be longer, but it does not mean that the ability of heat transfer can be reinforced. Per unit of the heat transfer power is determined by the total amount of heat transfer and the depth of borehole exchanger. Before designing, we should consider the amount and the depth of the BHE.4.The velocity of circulating fluid in the buried pipe must be maintained in turbulence flow. Under the premise the heat pump working in order, the quicker flow velocity, the bigger the capacity of heat transfer. But the BHE which have a large flow velocity demands more powerful circulating pumps. So it is necessary for us to make a balance between the capacity and the cost, the circulating liquid rate of flow should be controlled between 35 m3/d to 45m3/d（The inner diameter of pipe is 0.031m）.5.By the thermal condition BHEs operation sustainability research, that shallow geothermal energy is not sustainability , we should regrade the shallow geothermal energy as "Energy storage " to develop.6.In the same condition, the seepage type BHEs sustainability is obviously better than thermal conductivity type BHEs sustainability.7.The borehole exchanger which is buried in multilayered rock and soil mass, usually only exists groundwater seepage in one layer. The quicker seepage flow velocity the better for heat transferring. The modifiable Peclet number was summarized to judge the intensity of heat transfer by convection. When the modifiable Peclet number is 0.0041, the amount of heat transfer power will increase 5% comparing with non-seepage case. And when the modifiable Peclet number is 0.1291, the amount of heat transfer power will increase 30% comparing with non-seepage case.8.According to the Thermal Response Test (TRT) with forced groundwater seepage, a contrast was given out between the circulating temperature of the borehole exchanger and the emulation temperature value. And the area where the seepage flow exist was also investigated. The comparison result shows that the error between the emulation value and the actual value can be accepted within engineering permissible error range. The final result proves that the model of heat infiltrates coupling model established in this context is reasonable，which can be applied to engineering design.9.According to the area of shallow geothermal energy assessment, the Fuzhou area suitable for the development and utilization of shallow geothermal area mainly concentrated in the quaternary marine plain and residual slope area, the area are easy drilling, conductivity of aquifer, groundwater run off alternating strong.10.In Fuzhou area, at the site scale to make heat exchange system sustainable.The cold load and heat load imbalance rate should be no more than 45%.Keywords: Borehole Exchanger (BHE); FEFLOW;Groundwater and Heat infiltrates coupling model; Suitability evaluation目 录第一章 绪论1§1.1 选题目的与意义1§1.2 国内外研究现状及分析31.2.1 地埋管换热器纯导热模型的研究31.2.2 地埋管换热器在含水层中的换热模型研究31.2.3 浅层地温能适宜性评价研究41.2.4 待解决的问题5§1.2 创新点5§1.3 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7§2.1 传热基本理论7§2.2 浅层岩土体系统热动态均衡分析72.2.1 浅部圈层热动态均衡分析72.2.2 浅部地热能资源分布及温度场分布8§2.3 饱和多孔介质的传热分析92.3.1多孔介质中物质和热量的输运92.3.2 岩土体热物性参数9§2.4 钻孔换热器内部的传热分析12§2.5 水热耦合模拟方法14第三章 原位热响应试验16§3.1热响应试验理论基础163.1.1热响应试验简介163.1.2 理论公式推导173.1.3 测试孔内传热理论213.1.4 热响应试验传热理论25§3.2福州地区原位热响试验263.2.1 福州市基本概况263.2.2 试验区场地概况263.2.3 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37§4.1 物理模型与数学模型374.1.1 物理模型374.1.2 数学模型374.1.3 初始条件与边界条件37§5.2无地下水渗流作用的热响应试验验证与分析38§4.3 无渗流条件下数值计算模型条件41§4.4 无渗流型地埋管地源热泵换热分析42§4.5 无渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析454.5.1地下岩土体性质的影响454.5.2地埋管自身特性的影响49§4.6 无渗流条件下群管的换热特征分析544.6.1 无渗流条件下群管换热过程分析544.6.2 无渗流条件下群管运行的可持续性研究57§4.7 本章小结61第五章 渗流型地埋管地源热泵换热特征分析63§5.1 物理模型与数学模型635.1.1 物理模型635.1.2 数学模型635.1.3 初始条件与边界条件64§5.2 有地下水渗流作用的热响应试验验证与分析645.2.1 试验系统与试验流程665.2.2 试验结果分析67§5.3 渗流型地埋管换热器换热计算模型条件70§5.4 渗流型地埋管地源热泵换热特性分析70§5.5 渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析725.5.1地下岩土体性质的影响725.5.2地埋管自身特性的影响76§5.6 渗流条件下下群管运行的换热特性分析80§5.7 渗流条件下系统运行的可持续性研究83§5.8 多层岩土体地埋管换热器换热特性分析90§5.9 本章小结94第六章 浅层地温能适宜性评价95§6.1 区域性地埋管地源热泵适宜性评价956.1.1区域性地埋管地源热泵适宜性分区评价的原则与依据956.1.2区域性地埋管地源热泵适宜性的评价966.1.3区域地埋管地源热泵适宜性分区评价的验证101§6.2 场地尺度下的地埋管地源热泵适宜性评价1036.2.1 场地评价模拟的初始条件及换热器运行策略1036.2.2小型办公场地（小）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价1046.2.3中型宾馆场地（大）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价108§6.3 本章小结111第七章 结论与建议113§7.1 结论113§7.2 建议114致 谢115参考文献116第一章 绪论§1.1 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1-1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1-1 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 (borehole heat exchanger，或geothermal heat exchanger)，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1-2。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0.10.15 m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1-2 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。§1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 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；V.C.Mei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DST for TRNSYS8和EED9（Earth Energy Designer）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。1.2.2 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1.5×10-8m/s时，相比于纯导热的情况，换热能力只提高了不到2%15；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；Molina-Giraldo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、Liuzzo Scorpo利用C