地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价教学文案.doc

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地埋管地源热泵水热耦合模拟与浅层地温能适宜性评价
Heat Transfer Modelling of the Borehole Exchanger under the Groundwater Flow and Shallow Geothermal Energy Suitability Evaluation

摘 要

浅层地温能作为一种清洁能源，因为它的高效、无污染性，越来越多地被应用于城市居民的供暖与制冷当中。浅层地温能资源赋存于地表以下200m深的范围以内，具有分布广、储量大的特点，现今的开发利用状况与它庞大的资源储量相比还有很大的开发空间。现今制约地埋管地源热泵技术发展的因素有很多，其中最主要的原因是由于对地埋管换热器与岩土体间的热量传递认识不全面，导致在前期盲目地设计，以至于换热器换热性能发生大幅下滑，给地埋管地源热泵的技术推广带来很大阻碍。因此，本文主要针对有、无渗流条件下地埋管地源热泵换热特性展开分析，就地埋管换热器与周围岩土体之间的换热过程进行更深层次的探究，并从区域尺度和场地尺度对浅层地温能的开发利用进行适宜性评价。
通过前期理论分析和福州地区实地的原位试验，利用数值模拟软件建立了无渗流和存在地下水渗流两种机制下地埋管换热器换热过程的数值模型。通过引入换热器换热能效系数、有效换热持续时间及单位深度换热量三个参数，对地埋管换热器的换热特性及换热能力进行量化分析。分析了有渗流和无渗流作用岩土体中换热器换热性能的差异，并讨论了不同地埋管结构、岩土体性质以及冬夏不同热负荷特性条件下群管换热器换热性能的变化。针对多层型岩土体展开讨论，研究其单层岩土体中存在渗流流动时换热器换热特性的差异，并就热弥散作用对换热的影响展开初步探究。利用层次分析法对浅层地温能进行进行区域尺度的评价；采用数值模拟的方法针对实际工况对浅层地温能进行场地尺度的评价，主要得到以下结论：
1.在无渗流条件下，热量以圆形辐射状向外部进行传输，容易产生热量的堆积，换热器在运行10年后仍未达到局部热平衡；在有渗流流动（1×10-6m/s）的条件下，热量在地下水上游的传输受到抑制，在水流下游的传输得到促进。渗流作用能有效减弱热量堆积的不利影响，且换热器在运行的第100天就能达到局部换热平衡状态。同时，渗流流动能提高地埋管换热器的换热能力，在连续运行的第10年，同比无渗流工况，换热器单位深度换热量增加了约68%（0~60m均存在渗流流动）。
2.在有无渗流两种条件下，岩土体初始温度的改变都不影响换热器换热能效系数的变化特征；但对于制冷工况，初始温度越低，地埋管换热器进出口温差会越高，有效换热持续时间也会越长。因此，对于有制冷需求大于制热需求的区域，岩土体温度越低越有利于地埋管换热器长期高效地运行。
3.地埋管换热器长度的增加能提高换热器换热能效特性及有效换热持续时间，但不意味着地埋管换热能力的增大。单位深度换热量是由总换热量及换热器深度H所共同决定的。在实际设计中要综合考虑换热器的数量及其深度大小。
4.埋管管内循环流体须保持为紊流流态，在保证循环泵正常运行的前提下，流速越大换热器换热能力越大，但流量增大到45m3/d（支管内径0.031m）时，单位深度换热量相比流量为35m3/d的工况增加不足5%，且流速过大对循环泵的要求也就越高。因此，应保证换热能力的同时兼顾运行费用的经济性，循环流体流量控制在35~45m3/d之间。
5.通过无渗流条件下群管换热器运行的可持续性研究，可知浅层地温能也是有一定使用限度的，我们应该把浅层地温能看作“蓄能体”进行开发利用。
6.相同运行工况条件下，渗流型群管换热器的运行可持续性明显优于无渗流条件下群管换热器的运行可持续性。
7.埋设于多层型岩土体中的地埋管换热器，一般只在岩土体某一区段存在较明显的地下水渗流流动，渗流流速越大越有利于换热的进行。连续运行100天，可采用修正的Peclet数对渗流换热的相对强弱进行判别：当修正Pe数=0.0041时，换热器换热量同比无渗流时增大约5%；当修正Pe数=0.1291时，换热器换热量同比无渗流时增大约30%。
8.通过强制渗流的热渗耦合热响应试验，对地埋管换热器进出口温度及处于渗流区段岩土体温度监测点的模拟值与实测值进行了比较，发现模拟值与实测值之间的误差在工程应用允许的范围内。说明本文所建立的渗流流动作用下的地埋管换热器换热模型是合理的，是可应用于工程设计当中的。
9.根据区域性浅层地温能评价的结果，福州地区适宜和较适宜浅层地温能开发利用的地区主要集中于第四系海积平原和盆地周围第四系残坡积较为发育的地区，上述地区有易于钻进、含水层富水性好、径流交替强烈等特点。
10.福州地区在场地尺度下要使得换热系统较为持续的运行，较为适宜的冷热负荷不平衡率应该不大于45%。

关键词：地埋管换热器 FEFLOW 水热渗耦合热响应试验 适宜性评价

Heat transfer modelling of the Borehole Exchanger under the groundwater flow and shallow geothermal energy suitability evaluation
Ph.D.Candidate：Deng Dingxing Supervisor：Wan Junwei

ABSTRACT

Geothermal heat is a viable source of energy and its environmental impact in terms of CO2 emissions is significantly lower than conventional fossil fuels. Shallow geothermal systems are increasingly utilized for heating and cooling buildings and greenhouses. However, their utilizations inconsistent with the enormous amount of energy available underneath the surface of the earth. Projects of this nature are not getting the public support they deserve because of the uncertainties associated with them, and this can primarily be attributed to the lack of a comprehensive acquaintance with the heat transfer process between the Borehole Exchanger (BHE) and the surrounding soil. This shortage cause an arbitrary design for the BHEs, which would lead to the serious drop in performance of BHE. The uncertainties of the performance of the BHE would bring great barriers of the promotion of the new technology. For this energy field to have a better competitive position in the renewable energy market, it is vital that engineers acquire a proper understanding about the Ground Source Heat Pump (GSHP). This article aims at obtaining a deeper understanding about the process of the heat transfer between the BHE and surrounding soil which is under the behavior of the groundwater seepage and suitability evaluation on development and utilization of shallow geothermal energy from the regional scale and field scale.,.
Through theory analysis, the model of the borehole exchanger under conduction manners and heat infiltrates coupling manners was established with FELOW. The energy efficiency, heat transfer endurance and heat transfer in the unit depth were introduced to quantify the energy efficient and the endurance period. The performance of a BHE in soil with and without groundwater seepage was analyzed of heat transfer process between the soil and the working fluid. Basing on the model, the varied regularity of energy efficiency performance an heat transfer endurance with the conditions including the different configuration of the BHE, the soil properties, thermal load characteristic were discussed. Focus on the heat transfer process in multi-layer soil which one layer exist groundwater flow. And an investigation about thermal dispersivity was also analyzed its influence of on heat transfer performance. Evaluation of shallow geothermal energy for regional scale by using the analytic hierarchy process, Evaluation the practical working condition of shallow geothermal energy by simulation.Ultimately, some conclusions were reached as below：
1.On the condition of non-seepage, heat diffuse radially in the shape of circle which is easy to cause the accumulation of heat. It takes long time for Borehole exchangers to reach local thermal equilibrium (over 10 years). On the condition of seepage(1×10-6m/s), heat transfer through the upstream of groundwater would be inhibited, but heat transfer through the downstream can reach a longer distance which can weaken the negative effect caused by heat accumulation and shorten the time the borehole exchangers reach the local thermal equilibrium. Meanwhile, the groundwater flow can improve the transfer efficiency of the Ground Source Heat Pump(GSHP).When the borehole exchangers run continuously ten years, its heat transfer power for per unit depth will increase 68%（0~60m exists seepage flow）comparing with the condition of non-seepage.
2.On the condition of seepage and non-seepage, the changing of initial temperature of rock and soil mass has no effect of heat transfer efficiency. However, in terms of refrigerate condition, the lower the initial temperature, the higher the temperature difference between the import and export water of the borehole exchanger. And the time the borehole exchanger run at high level will be lasting for a longer time. Lower soil temperature will be better for the running of borehole exchangers in the area where refrigeration is needed.
3.If the length of borehole exchanger increased, the heat transfer power will be enhanced and the time the borehole exchanger running at high level will be longer, but it does not mean that the ability of heat transfer can be reinforced. Per unit of the heat transfer power is determined by the total amount of heat transfer and the depth of borehole exchanger. Before designing, we should consider the amount and the depth of the BHE.
4.The velocity of circulating fluid in the buried pipe must be maintained in turbulence flow. Under the premise the heat pump working in order, the quicker flow velocity, the bigger the capacity of heat transfer. But the BHE which have a large flow velocity demands more powerful circulating pumps. So it is necessary for us to make a balance between the capacity and the cost, the circulating liquid rate of flow should be controlled between 35 m3/d to 45m3/d（The inner diameter of pipe is 0.031m）.
5.By the thermal condition BHE’s operation sustainability research, that shallow geothermal energy is not sustainability , we should regrade the shallow geothermal energy as "Energy storage " to develop.
6.In the same condition, the seepage type BHE’s sustainability is obviously better than thermal conductivity type BHE’s sustainability.
7.The borehole exchanger which is buried in multilayered rock and soil mass, usually only exists groundwater seepage in one layer. The quicker seepage flow velocity the better for heat transferring. The modifiable Peclet number was summarized to judge the intensity of heat transfer by convection. When the modifiable Peclet number is 0.0041, the amount of heat transfer power will increase 5% comparing with non-seepage case. And when the modifiable Peclet number is 0.1291, the amount of heat transfer power will increase 30% comparing with non-seepage case.
8.According to the Thermal Response Test (TRT) with forced groundwater seepage, a contrast was given out between the circulating temperature of the borehole exchanger and the emulation temperature value. And the area where the seepage flow exist was also investigated. The comparison result shows that the error between the emulation value and the actual value can be accepted within engineering permissible error range. The final result proves that the model of heat infiltrates coupling model established in this context is reasonable，which can be applied to engineering design.
9.According to the area of shallow geothermal energy assessment, the Fuzhou area suitable for the development and utilization of shallow geothermal area mainly concentrated in the quaternary marine plain and residual slope area, the area are easy drilling, conductivity of aquifer, groundwater run off alternating strong.
10.In Fuzhou area, at the site scale to make heat exchange system sustainable.The cold load and heat load imbalance rate should be no more than 45%.

Keywords: Borehole Exchanger (BHE); FEFLOW;Groundwater and Heat infiltrates coupling model; Suitability evaluation

目 录
第一章 绪论 1
§1.1 选题目的与意义 1
§1.2 国内外研究现状及分析 3
1.2.1 地埋管换热器纯导热模型的研究 3
1.2.2 地埋管换热器在含水层中的换热模型研究 3
1.2.3 浅层地温能适宜性评价研究 4
1.2.4 待解决的问题 5
§1.2 创新点 5
§1.3 主要研究内容和技术路线图 5
第二章 地埋管地源热泵工作原理分析 7
§2.1 传热基本理论 7
§2.2 浅层岩土体系统热动态均衡分析 7
2.2.1 浅部圈层热动态均衡分析 7
2.2.2 浅部地热能资源分布及温度场分布 8
§2.3 饱和多孔介质的传热分析 9
2.3.1多孔介质中物质和热量的输运 9
2.3.2 岩土体热物性参数 9
§2.4 钻孔换热器内部的传热分析 12
§2.5 水热耦合模拟方法 14
第三章 原位热响应试验 16
§3.1热响应试验理论基础 16
3.1.1热响应试验简介 16
3.1.2 理论公式推导 17
3.1.3 测试孔内传热理论 21
3.1.4 热响应试验传热理论 25
§3.2福州地区原位热响试验 26
3.2.1 福州市基本概况 26
3.2.2 试验区场地概况 26
3.2.3 典型场地热物性参数计算 31
第四章 无渗流型地埋管地源热泵换热特征分析 37
§4.1 物理模型与数学模型 37
4.1.1 物理模型 37
4.1.2 数学模型 37
4.1.3 初始条件与边界条件 37
§5.2无地下水渗流作用的热响应试验验证与分析 38
§4.3 无渗流条件下数值计算模型条件 41
§4.4 无渗流型地埋管地源热泵换热分析 42
§4.5 无渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析 45
4.5.1地下岩土体性质的影响 45
4.5.2地埋管自身特性的影响 49
§4.6 无渗流条件下群管的换热特征分析 54
4.6.1 无渗流条件下群管换热过程分析 54
4.6.2 无渗流条件下群管运行的可持续性研究 57
§4.7 本章小结 61
第五章 渗流型地埋管地源热泵换热特征分析 63
§5.1 物理模型与数学模型 63
5.1.1 物理模型 63
5.1.2 数学模型 63
5.1.3 初始条件与边界条件 64
§5.2 有地下水渗流作用的热响应试验验证与分析 64
5.2.1 试验系统与试验流程 66
5.2.2 试验结果分析 67
§5.3 渗流型地埋管换热器换热计算模型条件 70
§5.4 渗流型地埋管地源热泵换热特性分析 70
§5.5 渗流型地埋管地源热泵换热影响因素分析 72
5.5.1地下岩土体性质的影响 72
5.5.2地埋管自身特性的影响 76
§5.6 渗流条件下下群管运行的换热特性分析 80
§5.7 渗流条件下系统运行的可持续性研究 83
§5.8 多层岩土体地埋管换热器换热特性分析 90
§5.9 本章小结 94
第六章 浅层地温能适宜性评价 95
§6.1 区域性地埋管地源热泵适宜性评价 95
6.1.1区域性地埋管地源热泵适宜性分区评价的原则与依据 95
6.1.2区域性地埋管地源热泵适宜性的评价 96
6.1.3区域地埋管地源热泵适宜性分区评价的验证 101
§6.2 场地尺度下的地埋管地源热泵适宜性评价 103
6.2.1 场地评价模拟的初始条件及换热器运行策略 103
6.2.2小型办公场地（小）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价 104
6.2.3中型宾馆场地（大）负荷特性下地源热泵系统适宜性评价 108
§6.3 本章小结 111
第七章 结论与建议 113
§7.1 结论 113
§7.2 建议 114
致 谢 115
参考文献 116

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第一章 绪论

§1.1 选题目的与意义
近年来，浅层地温能作为一种清洁、无污染的新能源，正越来越受到关注，越来越多地被应用于日常生活中的供暖与制冷当中。浅层地温能是一种新型的优质清洁能源，具有分布广、储量大、再生迅速、清洁环保、利用价值大等特点。按照分级用能原则，它是最适合生活用能（供暖/制冷）需求的清洁能源。
浅层地温能之所以是可再生的清洁能源，是由它所处空间位置及其自身特性所共同决定的。浅层岩土体200m深度范围内，在太阳辐射及地球内部地热能量输入的共同作用下，浅层岩土体按其纵向温度的变化特征，表层可以分为三个温度层：变温层、恒温层及增温层。变温层：受太阳辐射的影响明显，其温度分布特征有着逐日、逐月、逐年甚至逐世纪的周期变化，其厚度一般较薄，一般为15~20m；恒温层：在太阳辐射及内部地热梯度共同作用下，温度基本保持不变，厚度一般为25~35m；增温层：位于恒温层之下，受地热梯度的影响明显，温度随着深度的增加而升高，温升率一般为3℃/100m。通常情况下，为保证换热高效地进行，地下换热器底部位置不会超过恒温层的下界面。
埋设于地下的地源热泵系统，按其工作方式，可分为开系统与闭系统两种工作形式，如下图1-1所示，这两种系统亦可称为地下水地源热泵系统（开系统）与地埋管地源热泵系统（闭系统）。

图1-1 地源热泵系统两种工作方式[1]
地下水地源热泵系统（开系统）是从抽水井中抽取地下水，经过换热器的地下水再回灌到原来的地下含水层。但是，地下水地源热泵的实际应用也受到诸多方面的限制。
首先，开系统需要有丰富的地下水资源作为应用的前提条件。若待应用区地下水水位埋深较深，不仅造成前期成井费用的增加，而且循环水泵的耗电也将大幅加大。其次，在很多区域，实际地质条件下回灌井的回灌速度远低干抽水的速度，若要保证抽取的地下水完全回灌回含水层，回灌井的数量一般都要多于抽水井的数量。另外，保证利用的含水层不受污染也是地下水地源热泵应用技术的技术难点。
因此，本文研究的是另一种更清洁的利用方式——地埋管地源热泵系统（闭系统）。
地埋管地源热泵系统却不一样，它是一个与外界只有热量交换而没有物质交换的闭系统，它不会产生环境污染问题，更体现了浅层地温能资源的清洁性，因此近年来也更受各国推崇。地埋管地源热泵系统在地下的主体部分是一个由地下埋管组成的地埋管换热器 (borehole heat exchanger，或geothermal heat exchanger)，它通过循环流体 (水或以水为主要成分的防冻液)在封闭的埋管中流动，实现系统与周围岩土体之间的换热。地埋管换热器主要有两种工作形式，即水平埋管和竖直埋管，见图1-2。水平埋管是在地面浅层深度（1~2m）挖较浅的沟，在每个沟中埋设一定数量的PE埋管；竖直埋管是在岩土体中钻进直径为0.1～0.15 m的钻孔，在钻孔中设置1组（单U）或2组（双U）PE管并用回填材料填实，其深度一般为40～200m。待建区可用的地表面积是地埋管换热器工作形式的关键因素。相比而言，竖直地埋管换热器更节省土地面积，因此也更适合我国的实际国情。

图1-2 竖直与水平地埋管地源热泵示意图[2]
为了使得地源热泵技术得到推广，我国开展了一系列浅层地温能调查工作。本研究依托中国地质调查局省会城市浅层地温能调查评价项目福州浅层地温能调查及平潭综合实验区浅层地温能资源调查与评价项目的开展，在基本查清福州市区和平潭综合实验区浅层地温能的埋藏、分布规律及循环特征的前提下，进一步开展专项课题调查，在典型试验场地进行特殊设计的地下水渗流-热传导耦合综合试验，为本论文的开展提供试验支撑。
对地下水渗流条件下地埋管换热器换热特征的进一步研究成果，对其它地下水径流发育地区地源热泵系统的研究有较大借鉴意义，对地源热泵技术的推广具有工程指导意义。为福州沿海地区进一步勘查、科学规划与开发，提高可再生能源利用能力与水平，保护生态环境，促进社会经济可持续发展，提供技术支持。

§1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 地埋管换热器纯导热模型的研究
欧美国家对地埋管换热器的基础理论研究开始的很早，在1948年，Ingersoll首先提出了至今都有应用的线热源理论[3]；随后，Carslaw和Jaeger提出了一种改进了的线热源理论——圆柱热源理论[4]，这一理论模型包括定壁温和定热流两种模型；V.C.Mei等人提出了基于三维瞬态远边界的传热模型[5, 6]，将系统分为运行、停止两个状态分别建立能量方程。而在工程应用中，开发了各种计算工具，如Spitler于2000年开发，并应用于商业建筑埋管换热器设计的GLHEPRO[7]软件；Hellstrom分别于1995年、2001年开发了DST for TRNSYS[8]和EED[9]（Earth Energy Designer）软件，在不考虑渗流作用情况下可简便地进行地埋管换热器的相关设计；同样，对于地下水流动很微弱的地区，国际地源热泵协会(IGSHPA)推荐采用IGSHPA法，这种方法的设计、模拟方法是基于无限长线热源模型来展开的。
国内对地埋管换热器的基础理论及模型的研究起步较晚，前期主要针对相关实验展开，如于立强对竖直型地埋管地源热泵进行了研究（实验室尺度）[10]；1999年5月，李元旦、张旭建成了地埋管地源热泵实验台，并进行了相关的试验研究[11]；张旭等针对水平型地埋管地源热泵，开发了相关的试验装置，并对其各项技术进行了较深层次研究。近十年来，对基础性的研究越来越重视。潘玉亮对一维非稳态换热模型进行了研究[12]；仇中柱建立了二维非稳态模型，研究地埋管换热器与其周围岩土体之间的换热，并计算出换热器的换热作用半径[13]；范蕊[14]提出了准三维非稳态U型地埋管换热的换热模型，对岩土体的蓄冷与耦合热泵系统进行研究，取得的实际结果与模拟值吻合较好。
由此可见，早期用于地埋管换热器的计算模型和方法，大多是建立在纯导热基础上的，但未考虑地下水渗流的作用对系统换热的影响。
1.2.2 地埋管换热器在含水层中的换热模型研究
国外最早一批对地埋管换热器进行研究的学者Eskilson认为地下水流动对于埋管换热器的换热过程的影响是微不足道的，他认为：在渗流流速为1.5×10-8m/s时，相比于纯导热的情况，换热能力只提高了不到2%[15]；但是Eskilson研究的对象为基岩岩体，对于埋设于孔隙介质中的地埋管换热器，其地下水渗流流速变化范围极大。Carslaw提出的移动线热源理论[16]，为定量研究地下水渗流流动对换热器换热影响提供了技术支撑；Sutton在移动线热源理论的基础上建立了瞬态解析解模型，研究以热传导及热对流两种换热方式的水热耦合换热过程[17]；Molina-Giraldo在此基础上利用无量纲Peclet数来判断渗流流动对换热过程影响的相对强弱[18]。
地埋管换热器经常以群管、间歇状态运行，运用解析解模型就显得很困难了。在此背景下，数值模型越来越多地运用于地埋管换热器的前期设计与研究当中，MT3DMS、FEFLOW、COMSOL及ANSYS等模拟软件均可对地埋管换热器的换热过程进行模拟。Chiasson[19]、 Gehlin[20]模拟了地埋管在长期运行后岩土体温度场的变化情况，并与无渗流工况作了比较；Piller、Liuzzo Scorpo利用COMSOL建立了有渗流流动的二维换热器传热模型[21]，对换热器周围岩土体的温度进行模拟分析，与解析解对比后发现，数值模拟温度与解析解所得温度的差值随着渗流流速的增大而增大，说明传统的解析模型对于高渗流流速的情况已不适用；Fujii建立了有渗流流动的单U型地埋管换热器的数值模型[22]，并与传统的圆柱型传热模型进行对比分析，发现：当特征长度选用为单根埋管外径时，Peclet数小于0.1时，换热器的换热能力提升很小，而Peclet数达到1时，换热器换热能力提升了约100%；Zanchini利用COMSOL分析了地埋管地源热泵系统在夏季、冬季换热负荷不平衡时的换热特性，发现在地埋管地源热泵长时间运行后，很小的渗流流速对换热器的换热能力都有一定的提升[23]；Hecht-Mendez模拟了25个管群换热器长期运行后周围岩土体温度场的分布情况，并讨论了不同运行特征对岩土体温度场的影响[24]。
在基础性试验研究方面，国外近年来也做了大量工作。Signorelli[25]利用数值模型对热响应试验过程中影响试验结果的各影响因素进行了敏感性分析，并与解析模型进行了对比；Witte.H.J.L[26]，Focaccia[27]分别开发了专门的计算程序以便于工程设计人员从热响应试验中获取热物性参数；Raymond[28]、Beier[29]等分别对钻孔换热器附近的温度场、气温变化对热响应试验测试结果的影响展开。很多学者也注意到渗流对热响应测试结果的影响，Wagner[30]、Katsura[31]研究了在渗流场作用下热响应试验孔进出口温度、周围岩土体温度场的变化情况；Huber.D设计了强制渗流流动作用下换热器换热效果的变化情况[32]。
在考虑渗流作用的同时，学者们越来越多了对热弥散作用对岩土体温度场的影响展开了工作。Metzger利用试验，分析不同程度的热弥散作用对换热器换热效果的影响差异[33]；Molina-Giraldo利用解析法研究了热弥散作用对换热器周围岩土体温度场分布的影响[34]；Wagner, Valentin利用FEFLOW软件，对换热器按照第三类边界进行设置，对热响应试验进行了敏感性分析，并着重讨论了热弥散作用对测试结果的影响[35]；Casasso对地埋管地源热泵系