摘要
地源热泵运行中的岩土体热失衡问题是目前制约地源热泵进一步提升经济效益,推广运用的主要问题,也是地源热泵技术研究领域中的前沿和热点。我国南方区域岩溶分布广泛,地质条件复杂且地下水较为丰富,岩溶地区独特的地质构造以及活跃的地下水运动均会对埋管换热区热失衡问题产生积极的影响。因此,为探究岩溶地区裂隙水对地下岩土体换热区热失衡问题的影响,搭建了物理实验设计平台,通过将无裂隙岩体与水平单裂隙岩体的结果实验数据进行对比,了解水平单裂隙在有水流通过的情况对岩体温度场的影响规律。然后根据COMSOL数值模拟软件建立地埋管内流体换热及裂隙岩体换热的三维热-流耦合传热模型。通过将数值模拟计算结果与典型岩溶地区地源热泵现场测试数据对比分析,验证该模型的可行性。本文根据不同的裂隙参数构造,建立了六种数值模型,通过改变岩体的裂隙水流速、裂隙数量、裂隙分布,研究地埋管换热器出水温度、单位井深换热量和制热性能系数COP_h的变化规律。研究发现:通过对两种岩体模型物理实验数据进行绘制,可以明显观测出水平裂隙流对岩土体热失衡具有积极地缓解作用。然后通过数值模拟手段研究长期运行状态下,地下埋管换热区换热效率的变化。数值模拟研究表明:在裂隙水流速高于临界值5e-6m/s时,裂隙水流速对埋管出水温度、单位井深换热量和性能系数COP_h的影响均无明显差别。在同样裂隙分布、裂隙水流速均为5mm/s的运行状态下,裂隙数量越多对岩体热失衡缓解作用越强烈。在相同裂隙水流速和相同裂隙数量运行状态下,水平裂隙对缓解岩土体冷热负荷不平衡现象最为明显,且单位井深换热量较竖直裂隙和交叉裂隙岩体分别高出33.89%和12.86%,制热性能系数COP_h较竖直裂隙和交叉裂隙岩体分别高出2.53%和1.91%。相同数量下的水平裂隙岩体的换热效率之所以高于竖直裂隙岩体,原因是水平裂隙与竖直埋管换热器相接触,能够有效地缓解埋管附近的冷量堆积。本文提出的六种数值模型中,2条水平裂隙岩体的单位井深换热量和制热性能系数最高,分别高出无裂隙岩体75.56%和4.89%。因此本文研究的岩溶地区裂隙构造可以有效地降低埋管换热区热失衡风险,提高埋管换热器的换热性能,延长机组运行年限。