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工程科学学报 2022年第10期44卷 1719-1732页

作者：张波詹睿刘浪郇超赵玉娇王美西安科技大学能源学院西安710054

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... 详细信息

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.

关键词：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

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深部矿井埋管充填体换热器蓄/释热过程中的热干扰问题

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煤炭学报 2023年第3期48卷 1155-1168页

作者：张波杨紫桐刘浪赵玉娇郇超王美屠冰冰西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学理学院陕西西安710054

矿床开采形成的丰富地下空间为太阳能等可再生能源的大规模存储提供了基本条件。将地埋管换热器置入矿井充填体中构建出具有蓄/释热功能的埋管充填体换热器是实现太阳能等可再生能源跨季节存储的新方法,但是热干扰问题会影响其蓄/释热... 详细信息

矿床开采形成的丰富地下空间为太阳能等可再生能源的大规模存储提供了基本条件。将地埋管换热器置入矿井充填体中构建出具有蓄/释热功能的埋管充填体换热器是实现太阳能等可再生能源跨季节存储的新方法,但是热干扰问题会影响其蓄/释热性能而不容忽视。利用COMSOL仿真软件建立并验证了典型蛇形埋管充填体换热器的三维非稳态传热模型,通过管间热干扰系数(I_(tub))和层间热干扰系数(I_(lay))量化研究了管间距、管径、充填体导热系数和比热容对埋管充填体换热器的单层蛇形管管间和多层蛇形管层间热干扰影响,通过引入相对灵敏度参数讨论分析了管间和层间热干扰对研究参数的敏感度。结果分析表明,I_(tub)随蓄/释热时间呈先下降后上升的变化趋势,整体变化不大(0.92~1.00),说明单层蛇形管管间热干扰影响较小。I_(lay)呈单调显著递减,在蓄/释热阶段末分别低于0.25和0.49,说明多层蛇形埋管层间热干扰随着蓄/释热的进行严重恶化。通过灵敏度分析发现,I_(lay)对研究参数的敏感度明显高于I_(tub)。I_(lay)对充填体比热容、管间距、充填体导热系数和管内径的敏感度依次降低,其中充填体比热容和管间距为正面影响,另外2个为负面影响。I_(tub)在蓄/释热的大部分时间段对管间距最敏感。本研究量化了关键参数对埋管充填体换热器热干扰的影响,为优化蛇形埋管布置及充填材料制备以降低热干扰影响提供了依据。

关键词：热干扰埋管充填体换热器蓄/释热性能季节性储能蛇形埋管

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