地热供热技术是极具发展潜力的供热技术之一。然而，在目前主要的地热供热技术中，地源热泵技术存在冬夏季冷热不平衡、占地面积大等问题，水热型地热供热技术受制于地热资源的限制以及存在难以回灌的技术问题，一定程度上限制了其推广与应用。因此，探索新型地热供热形式对于供热行业具有重要意义。中深层地热地埋管供热技术，通过其核心换热部件中深层地埋管换热器提取地热能为建筑供热，所提取热源具有可再生的特点，应用受地热资源限制程度小，且具有取热不取水的特点，是极具开发潜力的地热供热技术。为阐明中深层地埋管换热器换热机理，揭示其取热特性，明确其在供暖应用中的热响应特性，本文开展了中深层地埋管换热器换热特性研究。 基于示范工程开展了中深层地埋管换热器换热实验研究，结果表明中深层地埋管换热器的平均每延米换热量为97.8-142.1 W·m-1，与浅层地埋管换热器相比取热优势明显，且在换热过程中具有出口水温高的特点，利于提高系统的运行性能。建立了在岩土体温度梯度作用下的中深层地埋管换热器高效计算传热数值模型，并将模拟结果与本文实验测试、OpenGeoSys三维数值模型以及Beier解析法的计算结果对比，验证了本文模型的准确性。所建模型克服了网格纵横比过大导致建模困难的问题，且提出岩土体区域的径向采用对数分布的网格划分方法，提高模型计算速度的同时，可以准确分析不同空间与时间下岩土体温度的变化特征。 基于换热器内沿程流体温度以及管壁沿程热流密度分析，探明中深层地埋管换热器的取热特性。明确中深层地埋管换热器的下部为从岩土体取热的主要区域，换热器内管的上部为热损失较大的区域。探明了在不同运行参数与设计参数下，换热器的热损失程度差异较大。提出了“取热损失比”评价取热损失程度，发现在流速较低和换热器长度较大的条件下具有较高的取热损失比，而内管导热系数与流速、换热器长度对取热能力存在显著的交互作用，在该条件下，降低内管导热系数可以明显提升换热器的取热能力。在流速较低，为0.3 m·s-1的条件下，对内管进行保温后的换热量可提高67.1%。 探究了在供热期间中深层地埋管换热器与岩土体的热响应特性。分析了负荷、均一与分层地热条件、运行参数与设计参数交互作用对换热器流体与岩土体温度变化的作用机理。在分层地热条件下，较深区域的地热特征参数对热响应特性的影响程度较大。内管保温性能良好时，换热器以较低流速换热时的出口温度明显高于以较高流速换热时的温度。内管保温的有效长度位于其上部区域，对于2000、2500、3000 m的换热器来说，最佳内管保温长度分别占内管总长度的50%、60%、66.7%。中深层岩土体的换热影响半径沿着深度方向总体呈增大趋势，其最大换热影响半径与浅层地埋管换热器相比增加程度明显。 基于中深层地埋管换热器的长期运行特点，厘清取热阶段与热恢复阶段的传热模型差异，开展长期换热性能研究。研究结果表明换热性能在初始几年的下降程度较大，且在岩土体导热系数较小或负荷较大时更为明显，而后逐渐趋于稳定并达到准稳态阶段。提出长期稳定换热评价方法，明确季节性能系数对于评价的重要性，且应对准稳态阶段的换热性能进行评价。此外，在热恢复阶段，岩土体在大地热流和径向更远处岩土体的传热作用下进行热恢复，热影响半径不断增大，运行至20年以后，换热器热提取与岩土体热恢复逐渐趋于平衡，岩土体的换热影响区域趋于稳定，最大热影响半径达70 m以上。为减小换热器的地表安装距离，提出造斜的安装方法，安装角度以4倍热影响半径角为宜，该方法有效避免了换热器主要热提取区域热干扰的发生。 本文研究结果为中深层地埋管换热器的性能优化与管井设计提供理论支持。基于提出的长期稳定换热评价方法，得到在不同地热特征参数与换热器长度下的最优运行参数与推荐负荷值，对实际工程应用具有指导意义。 |
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