中深层地埋管换热器传热过程对周围岩土体的热影响

山东建筑大学 贾林瑞 崔 萍 方 亮 方肇洪

0 引言

传统的地埋管地源热泵技术采用的钻孔深度通常为40～150 m，称之为浅层地热能利用技术，需要足够大的地表区域来布置钻孔，易受到地表面积的限制。为了扩大地源热泵的应用范围，提出了一种新的技术，钻孔深度可达到1 500～3 000 m，称之为中深层地埋管换热器技术[1]。这种技术不需要布置太多的钻孔，便可达到所需的供暖指标。对比发现，长期运行的浅层地源热泵系统可能具有明显的性能降级现象，而利用中深层地埋管换热器的独特技术优势可有效改善这种现象[2]。由于中深层地埋管换热器埋深较浅层地埋管换热器存在数量级的不同，地下岩土层在深度方向的温度梯度就不能忽略，其传热机理也更为复杂。

中深层地源热泵系统研究的核心问题在于地埋管与周围土壤之间的传热，这是一个较复杂的传热问题，涉及到岩土体和换热器2个部分。考虑到系统对管道强度及施工工艺等要求较高，采用性能更优的套管式换热器，套管截面见图1。使用套管式换热器可以显著提高地源热泵系统地下换热装置的换热效率，从而可以减少换热井设置数量、节省换热系统的占地面积、降低换热系统的初投资[3]。

注：R1为外管与钻孔壁之间的热阻，R2为内、外管间的热阻。

目前，关于中深层地埋管换热器的研究方法主要有数值解与解析解2种模型。数值解常用的方法就是运用CFD、FEFLOW等软件计算，如Renaud[4]、Lous[5]等学者的研究；除此之外还可以通过有限差分和有限元的方法编写程序求解，如Holmberg[6]、Morchio[7]等学者的研究。……