地埋管換熱孔效率變化模擬分析

朱志明， 柯 立， 馬 俊， 劉紅衛(wèi)， 江 凱

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051; 2.湖北省地?zé)崮苎芯客茝V中心,湖北 武漢 430051)

淺層地溫能開發(fā)利用中，能量從巖土層中輸入或輸出，地溫場會發(fā)生相應(yīng)的變化[1-4]。系統(tǒng)運(yùn)行初期，周圍溫度場變化較小，熱量易擴(kuò)散，換熱效率高，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，巖土層中累積的熱量增多，熱量擴(kuò)散難度增加，換熱效率逐漸降低。

地下巖土體由于構(gòu)造復(fù)雜、人工熱輸入特征多樣，其傳熱規(guī)律也復(fù)雜多變，目前對巖土體傳熱規(guī)律及地源熱泵系統(tǒng)能效下降量定量分析研究較少，巖土體溫升(降)與淺層地溫能利用效果間的關(guān)系、換熱影響半徑的變化及確定認(rèn)識還不全面，地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理上有較大的主觀性[5-8]。

本文通過有限元軟件ABAQUS對地下巖土體熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)開展地下巖土體的傳熱研究。為配合研究，專門建設(shè)了兩個(gè)傳熱模擬試驗(yàn)場，其中一個(gè)處于崗地(二級階地)，換熱體為巖石，無地下水流動(dòng)影響；另一個(gè)處于長江沖積一級階地上，換熱層主要為粘性土和砂層，有地下水流動(dòng)。兩個(gè)試驗(yàn)場均采取土樣進(jìn)行巖土物理、熱物理性質(zhì)分析，布設(shè)施工了傳熱監(jiān)測孔(孔內(nèi)埋設(shè)有測溫探頭)，并進(jìn)行了連續(xù)加熱試驗(yàn)和地溫監(jiān)測，獲取了地下巖土體傳熱數(shù)據(jù)。

通過上述方式，分析巖土體傳熱規(guī)律，并與數(shù)值模擬進(jìn)行對比，當(dāng)模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果吻合，則對數(shù)值模擬進(jìn)行多種工況的再模擬，研究地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中巖土體溫度變化、系統(tǒng)能效變化，為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供參考，達(dá)到用好、用足淺層地溫能資源的目的。……