水-热-力三场耦合作用下的土壤储热特性研究

摘要

土壤储能作为一种新的能源利用形式,引起越来越多的关注。目前常用的储能方式分为低温和高温两种。在低温(0~40oC)储能中,由于其热源来源的广泛性而发展迅速,但在提高供热效率及对热源利用的充分性上存有不足,限制了其进一步发展。高温(40~90oC)储热基于热品质高及具有特定来源和取热相对集中的特点,逐渐引起人们的极大兴趣。但随着储热温度的增高,发展该项技术也面临着诸多问题:如适宜回填材料的选取、大温度梯度下水热耦合作用以及高温下埋管附近材料失水固结等,都在很大程度上影响着土壤储热技术的发展。
　　本文从分析国内外温度场、湿度场、应力场及其耦合效应的研究现状出发,将水热耦合的两场间关系拓展到热、湿、力三场。根据含水层储能和地埋管储能两种不同方式,建立相应的三场耦合物理模型,并进行数值求解;通过室内高温热物性参数测定,微观结构分析以及温度、密度、材料类型三者间的正交分析,获得了砂、砂加膨润土、粘土三种回填材料的热收缩特性;通过高饱和度下的换热实验,明确并分析了三种材料在高温下的传热过程,为指导实际工程应用提供数据支持;并以节能楼储热示范项目为例,分析了热、湿间相互影响关系。研究结果进一步清晰理解土壤储热过程中多场耦合的相互作用机理及对换热效率的影响规律,为完善土壤储能技术,促进可再生能源利用方面具有重要指导作用。
　　主要工作及结论包括:
　　(1)在单场、两场耦合的归纳基础上,针对两种储热方式分别建立其地埋管储热、含水层储能的热-湿-力三场耦合模型,着重考虑了水汽扩散因子在传热、传质中的应用,同时在确定有效应力参数时,将微观统计中的水汽接触面积,即两相间表面自由能对毛细作用的影响代入到多孔介质的力学行为中,为非饱和土中有效应力的确定提出了新的手段。
　　(2)针对土壤低温、高温储热类型和特征,分析了地埋管储热利用中热物性参数确定、水汽扩散增强因子、CT断层扫描微观特性等,为揭示土中热质传递及接触变形奠定基础;利用Fluent软件模拟了存在地下水渗流时的水热耦合作用,并给出了典型工程实例分析,得出当Pe数较大时需考虑含水层对地埋管换热产生的对流作用;同时运用COMSOL软件对含水层储热过程中的流固耦合及水热力三场作用下的渗流、固结及传热特性进行模拟分析,得出长期抽灌不平衡会造成含水层区域地表沉降的结论。
　　(3)搭建热收缩试验台,对三种典型回填材料的高温收缩性进行试验,通过正交试验法对土壤类型、温度、密度三因素进行分析,获得影响土样收缩性的主次因素依次为土样类型>温度>密度。针对土壤储热中三种不同高饱和回填材料,进行高温排热试验,通过对温、湿度及排热效率监测,获得高饱和条件下不同类型回填材料的换热特性。得出在高含水率下界面收缩现象表现不明显,储热效率随温度增加而增强,且以砂作为回填料时效率最高;通过数值模拟方法,对低、高湿度条件下的上述回填材料进行温度场、湿度场、变形场耦合分析,明确出不同初始含水率和温度下的三场耦合特性,结果表明低初始含水率的粘土在80oC时界面变形最为显著。
　　(4)以节能楼为例,对跨季节储热平台的地下温度场和湿度场进行长期全面监测,总结出储热过程中的两场变化规律及储热效率,获得影响高温储热的主要因素,为下一步完善土壤储热的有效性提供指导作用。

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符号说明

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作

第二章 热-湿-力三场耦合模型构建研究

2.1单场特性研究

2.2土壤储热过程中传热、传质与固结的模型研究

2.3 本章小结

第三章 土壤低温储热类型及其特征研究

3.1地源热泵

3.2水源热泵

3.3本章小结

第四章 土壤高温储热类型及其特征研究

4.1地埋管高温储热

4.2 含水层高温储热

4.3 本章小结

第五章 不同回填材料的热收缩试验特性研究

5.1 土的干燥收缩机理

5.2热收缩试验

5.3本章小结

第六章 不同回填材料的换热特性研究

6.1不同回填材料换热试验

6.2 不同回填材料储热过程数值模拟

6.3 本章小结

第七章 土壤储热工程实例分析

7.1 高温储热区分布

7.2储热运行特性

7.3 储热效率分析

7.4 本章小结

第八章 结论和展望

8.1主要工作和结论

8.2 下一步工作展望

参考文献

攻读学位期间的相关科研成果

致谢