不同分层地质结构下地源热泵竖直双U埋管换热影响研究

摘要

地源热泵系统是我国目前比较成熟的一种新能源开发方式，因其污染较小，能效较高的优点而成为国家的能源利用重点发展的方向之一，是日渐崛起的冷热源新方案。国内对于地源热泵的的研究主要从建筑负荷、地埋管循环水流速、岩土体初始温度及埋管换热器的布置等耦合展开，但是我国的地源热泵技术推广并没有进入较完善的发展模式。地埋管换热器，是地源热泵系统的根本所在，在地源热泵系统设计过程中，对岩土物性参数的确定许多地区仅根据个人经验和局部测试，对某个钻孔进行热响应实验，将岩土体视为均匀物体，得到岩土综合导热系数，忽视了竖向岩土体存在着地质分层构造。
　　本课题以竖直埋管地源热泵系统为研究对象，以前期调研资料和前人提出的三维单孔、管群模型为基础，建立不同地质结构下的三维单孔和管群多层地质结构模型，控制地质结构中岩土体的导热系数和深度，进行单因素分析。
　　依据实际工程勘探数据，以三维单孔模型为基础，建立地源热泵竖直双 U多层地埋单孔模型，并进行数值计算，将数值解和测试值进行对比分析，结果显示地源热泵竖直双U多层地埋模型与实际热响应工况接近，所建物理模型可以应用于实际工程。
　　以实际热响应测试地质情况为基础建立的竖直双 U多层地埋单孔模型为基准地质结构，引入岩土导热系数λi和岩土体深度 hi来表征不同的地质结构，即所有的不同地质结构都可以用岩土导热系数λi和岩土体深度 hi的变化回归到基准模型上，探索导热系数λi与深度hi的变化而引起的钻孔换热性能的变化，发现竖直双U多层地埋单孔模型的岩土体上、中、下层各层岩土体的正、负变化率（导热系数增大、减小）与平均换热系数变化率之间的函数关系式，以及可以评价为两种地质结构相似的上、中、下层岩土体的导热系数绝对变化率极限大约分别为33％、16%、11%。
　　以实际热响应测试地质情况为基础建立的竖直双 U多层地埋管群模型为基准地质结构，引入岩土导热系数λi和岩土体深度 hi来表征不同的地质结构，即所有的不同地质结构都可以用岩土导热系数λi和岩土体深度 hi的变化回归到基准模型上，控制各地质层导热系数λi与深度 hi，进行深入的换热分析，探索导热系数λi和深度 hi的变化和换热性能之间的联系，找寻管群模型时新的地质结构与基准模型地质相似的评价参数和评价标准。发现竖直双U多层地埋管群模型的岩土体上、中、下层各层岩土体的正、负变化率（导热系数增大、减小）与平均换热系数变化率之间的函数关系式，以及可以评价为两种地质结构相似的上、中、下层岩土体的导热系数绝对变化率极限大约分别为37%、19%、14%。
　　提出了建立地质结构数据库平台的思路，并分析了数据库的数据来源、建立方式和整个生态系统的组成。以西南喀斯特地质区地质结构为基础资料，建立了对应的地质条件数据库，并分析了西南喀斯特地质区地质结构的成因、特征以及对土壤源热泵系统钻孔施工的影响，针对喀斯特地区的钻孔难题提出了一些较有效的实际工程的钻孔施工技术，为地质结构数据库编译热响应测试分析计算软件。
　　通过该课题的研究，可以得到竖直双U多层地埋单孔和管群模型的岩土体上、中、下层的岩土导热系数λi或岩土体深度hi的改变与换热性能之间的函数关系式，函数关系式可以更加清晰的展示岩土体导热系数和换热效果之间的联系，可以为不同地质结构下的管群换热效果评价提供依据。也得到各层地质层岩的导热系数绝对变化率极限，可以作为新的地质结构与基准地质结构相似的评价标准，依照评价标准对照基准地质结构数据库，可以估算得到该地质区单孔工况下的单位延米换热量和管群工况下的平均换热系数，这两个参数大致反映了该片地质区管群工况下的换热性能，不仅可以为工程开展前项目论证阶段提供定量的地源热泵适宜性评价参数，而且可以为工程设计提供初步分析参数。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 土壤源热泵系统在国内外的应用及研究现状

1.3 课题研究内容、技术路线及其意义

1.4 本章小结

2 地源热泵竖直双U多层地埋单孔模型与分析

2.1 地源热泵竖直双U地埋单孔数学模型

2.2 地源热泵竖直双U多层地埋单孔物理模型

2.3 竖直双U多层地埋单孔模型测试值与数值解对比

2.4 竖直双U多层地埋单孔模型换热分析

2.5 本章小结

3 不同地质结构下竖直双U多层地埋单孔换热影响分析

3.1 研究方法与评价标准

3.2 控制单因素λi换热影响分析

3.3 控制单因素hi换热影响分析

3.4 本章小结

4 不同地质结构下竖直双U多层地埋管群换热影响分析

4.1 地源热泵竖直双U多层地埋管群物理模型

4.2 控制单因素λi换热影响分析

4.3 控制单因素hi换热影响分析

4.4 本章小结

5 地质结构数据库的建立

5.1 地质结构数据库

5.2 贵阳地区地质结构与岩土导热系数分布图

5.3 西南喀斯特地区地质结构报告

5.4 热响应测试分析计算软件

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 未来展望

致谢

参考文献

附录