地埋管換熱孔效率變化模擬分析

朱志明， 柯 立， 馬 俊， 劉紅衛， 江 凱

(1.湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051; 2.湖北省地熱能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

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

地下巖土體由于構造復雜、人工熱輸入特征多樣，其傳熱規律也復雜多變，目前對巖土體傳熱規律及地源熱泵系統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系、換熱影響半徑的變化及確定認識還不全面，地埋管系統設計、運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過程進行數值模擬，并結合現場測試數據開展地下巖土體的傳熱研究。為配合研究，專門建設了兩個傳熱模擬試驗場，其中一個處于崗地(二級階地)，換熱體為巖石，無地下水流動影響；另一個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。兩個試驗場均采取土樣進行巖土物理、熱物理性質分析，布設施工了傳熱監測孔(孔內埋設有測溫探頭)，并進行了連續加熱試驗和地溫監測，獲取了地下巖土體傳熱數據。

通過上述方式，分析巖土體傳熱規律，并與數值模擬進行對比，當模擬與現場試驗結果吻合，則對數值模擬進行多種工況的再模擬，研究地源熱泵系統在運行過程中巖土體溫度變化、系統能效變化，為地埋管地源熱泵系統的優化設計、運行管理提供參考，達到用好、用足淺層地溫能資源的目的。……