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《吉林大学》 2010年
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地下能量传输及其传热控制研究

江彦  
【摘要】: 面对能源与环境日渐紧张的局面,可再生能源的使用成为解决这一问题的有效手段,地下浅层作为地下蓄能(UTES)与地源热泵(GSHP)的能源库被认为是目前最具清洁环保特征的绿色能源利用技术。它可实现长期或跨季节蓄能,有利于余热、太阳能和电力峰谷错时利用,越来越受到人们关注。 现有的研究成果表明,地下传热热源模型多以线热源或柱热源的纯导热问题为主导,对地下水渗流流动、管内流动的换热相耦合的研究还很有限,特别是大规模地下换热井群的相关研究更显不足,因此基于渗流、内流动和井群场的地下能量传输的能流特性研究显得尤为必要。另外,无论地下能量蓄存,还是地源热泵,均涉及复杂的地下传热和能量传输问题,其受到诸多因素的制约和影响,除了岩土热物性、地质构造和地下岩土结构等自然条件以外,更主要是运行的主动控制模式,以求更高的地下能流有效控制,在地下蓄能过程中使蓄入、扩散和保持达到高效协同控制。 针对以上问题,本研究结合国家自然科学基金项目,采用模型分析和模拟计算,结合实验、探索复杂条件地下热源群可变负荷动态传热和热流传输作用机理,揭示季节性地下蓄能时间周期动态传热控制机制,通过对能量传输的热扩散促进与抑制、温度场形态重整主动控制及能流场协同等基本传热特性、特征和规律认识,建立地下蓄能的热传输控制机制,推动我国地下蓄能技术创新与发展。 在分析地下蓄能换热器的传热机理中,提出套管式地下换热器的管内流动与岩土渗流传热耦合的数学模型,分别在饱和岩土无渗流和有渗流两种状况下,对影响地下热流的主要因素进行系统的传热分析,研究不同影响因素中的时变动态特性。 对于饱和岩土无渗流过程,研究结果表明当套管式地下换热器外管径达到一定管径(DN100)以上时,埋管单位管长换热率较大,埋管与岩土的换热较充分;当蓄能流体处于紊流态流速为0.2~0.4m/s时,其单位管长换热率较高;超过此范围后,流速的增加对增强换热的效果不再明显。 对于存在渗流,研究结果表明它将增加地下埋管与岩土的对流换热,提高传热效果,换热率随渗流流速而增加,并且在低流速时,更加明显;此外,岩土孔隙率可有效增加换热效果,使系统平稳运行时间缩短。其中,流速因素较孔隙率因素影响作用更加明显;孔隙率在0.1以下且流速较小时,地下渗流流动对换热效果的增强不明显。 为进一步验证模型分析和实验研究相关特征,建立大型阵列式多热源岩土热流传输实验系统,开展岩土蓄能传热动态控制研究。提出动态时序控制问题,并着重对三种不同动态时序控制模式进行研究,系统分析温度场时变形态,能量蓄存、扩散及保持各阶段的温变特性和影响规律。实验表明,动态时序控制对蓄能具有显著的功效作用,在相同蓄热总量、蓄能时间和实验运行条件下,通过动态时序负荷控制,可实现明显的蓄能传热能力差异,它不但影响加热期,还影响到保持期,可变相位和幅值将有利提升能量的扩散与保持,为地下蓄能和传热控制最优化提供有效方法。此外,相关实验结果与模拟计算结果比较表明,本研究所建立的计算模型与实验数据获得良好吻合。 为定量分析和判断地下蓄能过程的能流效应,有效衡量能流传输与扩散,本研究提出地下岩土蓄能的能流通量的概念,进一步弥补以往地下传热分析中的不足,并对垂直式地下换热器井群不同布置形式的能流特性进行了比较分析,同时提出能流通量监测位置选取与确定方法,合适的能流通量监测可以充分反映能量保持与扩散对蓄能效果的影响,研究表明监测位置选择在距离最外层埋管中心以外0.5-2.5倍间距较好。此外,利用能流通量概念,对不同井孔间距的地下换热器进行热流分析,得出载能介质与岩土温差较小、地下水流速较小或孔隙率较小的地区,3-6m间距比较合适;介质温度较高或者地下水流动速度较大的情况下,6m左右的间距较合适,这将有利于能量的进一步蓄存、蓄存中的扩散和间歇期的保持。 通过对饱和岩土有地下水渗流与无地下水渗流的地下蓄能能量的保持与扩散进行分析,并在无地下渗流的蓄能研究采取四种不同的控制热流传输模式,指出环式负荷温位梯级加载的蓄能模式更加有利于能量的岩土扩散和保持。 对于渗流旺盛区的蓄能,提出全新的偏置加载控制模式,通过对四种不同的负荷加载控制模式进行研究,指出基于渗流方向的温位偏置加载理念具有重要的能流控制作用,它利用负荷量和温位的双重控制,更加有效提高地下蓄能和传热效率,提升蓄能区域的能量保持能力。正如分析结果所知,偏置加载与环式加载在输入能量基本一直的条件下,有效的偏置加载将比环式加载体现更加明显的蓄能能力和应用潜力。 因此,负荷温位梯级加载和偏置加载等地下岩土传热控制将为地下蓄能和地下传热的能流控制提供新的控制理念,进一步为实现地下能量高效利用的技术突破奠定基础。通过对蓄能间歇周期的研究,发现短间歇蓄能方式在蓄能数量、平均温升和最高温度方面都比长间歇蓄能方式更有利于能量在埋管区域的蓄存、扩散和保持。 综合研究表明,能量存入需要高的释放扩散能力,能量保存却需要低扩散,抑制蓄存能量扩散流失,如此导致地下能量存储面临能量传输扩散促进和抑制的矛盾及其协调问题。本文通过研究岩土热源群可变负荷动态传热和热流传输作用影响,通过负荷变动和温度场形态重整主动控制,场波动相位延迟以及能流场协同,实现可控地下传热扩散,提高蓄能利用效率。通过研究热湿迁移下场偏移与控制,大规模热源群负荷多变性控制与协同,探索负荷温位梯级加载和偏置加载等手段的蓄能温位弱化和能量传输缓冲等。该研究将完善地下蓄能和传热控制理论,推动地下蓄能和传热技术的发展和应用。
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