深部矿井水平方螺旋形埋管充填体换热器及其耦合热泵系统性能研究

作     者：张波 詹睿 刘浪 郇超 赵玉娇 王美 ZHANG Bo;ZHAN Rui;LIU Lang;HUAN Chao;ZHAO Yu-jiao;WANG Mei

作者机构：西安科技大学能源学院西安710054 

出 版 物：《工程科学学报》 (Chinese Journal of Engineering)

年 卷 期：2022年第44卷第10期

页      面：1719-1732页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 0705[理学-地理学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52274063,51874229,52004207,52104148) 国家优秀青年科学基金资助项目(52222404) 陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2022JM-173) 

主　　题：埋管充填体换热器 方螺旋形埋管 耦合热泵系统 矿井地热开采与应用 深部矿井 

摘      要：深部矿井蕴藏着大量地热资源,功能性充填体技术将深部采矿和深部地热开采相结合,实现矿产和地热资源开发共赢,是延长深部矿山寿命的重要举措.本文在分析了国内外充填矿井通过埋管提取地热资源现状基础上,提出了一种水平方螺旋形埋管充填体换热器(Square-spiral-type backfill heat exchangers,S-S BHE).考虑到地下水渗流对矿井埋管充填体换热器(Backfill heat exchangers,BHE)取热影响显著但前期研究相对不足,利用COMSOL软件建立了三维非稳态BHE热渗耦合模型并验证了其可靠性.在此基础上,建立了埋管充填体换热器耦合热泵(Backfill heat exchangers coupled heat pump,BHECHP)数学模型及四个综合评价指标.首先,在相同几何条件和物理条件下,对比分析了S-S BHE与两种典型蛇形BHE的性能,结果表明:S-S BHE的综合评价指标均优于蛇形BHE,且在较高渗流条件下优势更加显著.其次,研究了管内流速、管间距、渗流速度和入口水温对S-S BHE及其耦合热泵特性的影响规律,研究发现:管内流速和渗流速度对综合评价指标的影响最为显著,管内流速越高,单位管长平均换热功率越高,但制热季节能效明显降低.分析认为管内流速存在0.4~0.6 m·s^(–1)的最优区间,此时管内循环水流动处于从过渡区向旺盛湍流转变.渗流速度在小于10^(–6)m·s^(–1)时的影响可以忽略不计,在10^(–6)~10^(–5)m·s^(–1)的常见渗流范围内,综合评价指标均呈线性递增的趋势.最后,对方螺旋形埋管充填体换热器耦合热泵(Square-spiral-type backfill heat exchangers coupled heat pump,S-S BHECHP)进行了生态评价.通过与传统供暖方式对比发现:采用S-S BHECHP的供暖方式具有显著的节能降碳效果,一次能源消费和碳排放量比蓄热式电锅炉、燃煤锅炉和空气源热泵相应降低了83.39%、61.57%和56.84%.本研究结果展示了方螺旋形BHE和BHECHP的优良性能,为蓄热储能式功能性充填在深部矿井的应用与探索提供了理论指导.