中深层地热供暖系统测试及深井换热器传热特性研究

作     者：刘福强 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施志钢

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：中深层地热供暖系统 深井换热器 （火用）分析 数值模拟 传热特性影响因素 

摘      要：我国地热能具有分布广泛、储量丰富、地温温度高等特点,发展潜力巨大。中深层地热供暖技术,通过深井换热器提取中深层地热能,结合热泵实现温度提升,可以实现较大范围的区域供热。深井换热器作为地热供暖系统的核心装置,一般采用套管式结构,取热而不取水,保护了地下水环境。本文基于山东省青岛市胶州市某中深层地热供暖项目,通过实验测试和数值模拟,研究了中深层地热供暖系统的运行特性以及套管式深井换热器的传热特性。首先,进行了土壤初始温度测试,发现测试所在地土壤温度随深度呈线性分布。即随深度的增加,土壤温度线性升高。在该系统投入使用的第一年,开展了中深层地源热泵系统的长期运行测试,测试结果表明:系统总体运行平稳,用户室内空气温度维持在20℃左右,能够满足供暖需求。直供模式下COP平均值为12.98,耦合运行模式下系统COP平均值为3.86,而浅层地源热泵供暖系统COP值为2～3,故中深层地热供暖系统能效更高。其次,在系统试运行期间,设置了不同的测试工况,利用热力学第二定律建立深井换热器的（火用）分析模型,根据测试数据计算表明:热井直供模式下换热器（火用）损失、（火用）效率及热力完善度都处于比较理想的范围,而热泵热井耦合运行模式下换热器的能量利用效率不高。导出深井换热器（火用）参数的计算公式,通过控制变量分析了各参数对换热器换热性能的影响。最后,在考虑地温梯度及深井换热器井底传热过程的基础上,建立了原尺寸二维深井套管换热器传热模型,使用Fluent软件对模型进行数值求解,通过测试数据验证了模型的准确性。基于该模型,分析了地温梯度、内管长度、循环流量、管内流向、内管及固井材料导热系数、进口温度对深井换热器的传热特性的影响。结果表明:(1)地温梯度增加,深井换热器出水温度及取热量升高;(2)内管长度会影响到深井换热器取热能力,内管长度越长,进出水温差越高;(3)取热量随循环流量的增加先升高再降低;(4)外进内出时,同深度处内管温度高于环腔温度,内进外出时则相反;(5)同深度处内管和环腔中流体温差随循环流量的升高而降低,且流体随埋深的温度变化率随循环流量的升高而降低;(6)内管导热系数增大,换热器内管与环腔换热量增加,换热器的取热量降低;(7)固井材料导热系数增大,换热器取热量增加;(8)深井换热器进口温度升高,出口温度也随之升高,但取热量却随之降低。