地下水滲流對地埋管換熱性能影響研究—以鄭州市中牟試驗場地為例

師永霞  許一川

（河南省地質(zhì)局生態(tài)環(huán)境地質(zhì)服務(wù)中心  河南鄭州 450011）

摘要：通過系統(tǒng)研究典型地下水滲流場對地埋管換熱能力及其周圍地層溫度場的影響，從而提出與滲流工況相匹配的換熱孔最佳布設(shè)方案，為地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程的設(shè)計、施工和運行提供更加有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：滲流  地埋管  數(shù)值模擬  溫度場  

1、引言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)在運行過程中，地埋管換熱器周圍巖土體大部分都位于含水層中，地下水的滲流對地埋管換熱器同周圍巖土的換熱過程產(chǎn)生較大的影響。因此，有必要將地下水滲流因素對地埋管換熱性進(jìn)行深入地研究分析，從而提出與滲流工況相匹配的地埋管換熱孔布設(shè)方案。

2、地埋管換熱器傳熱模型的建立

2.1數(shù)學(xué)模型

本次數(shù)值模擬軟件采用Feflow軟件，地埋管換熱器采用一維有限元法進(jìn)行刻畫，周圍的巖土體采用三維有限元的處理方法。熱量傳輸主要包括巖土體中熱量傳輸和井孔熱量傳輸。巖土體中熱量傳輸控制方程為如下：

式中：s—儲水系數(shù)，無量綱；

f —表示液體；

s—表示土壤；

h —水頭（m）；

Q—流量（m3 /s）；

β—熱膨脹系數(shù)（℃-1）；

q—達(dá)西流速（m/s）；

▽—矢量微分算子；

T—溫度（℃）；

ε—孔隙度；

ρ—密度（kg/m3）；

c—比熱容（J/（kg·℃））；

H—熱量源匯項（W/m）；

λ—熱導(dǎo)率（W/（m·℃））；

αL—縱向熱彌散度（m）；

αT—橫向熱彌散度（m）；

I—單位特征矩陣。

雙U形管（2U）換熱器分為8個熱交換區(qū)（圖 21）：2個進(jìn)管區(qū)（i1和i2），2個出管區(qū)（o1和o2），4個回填材料區(qū)（g1、g2、g3、g4）。其中Rfig為流體和進(jìn)管管壁的熱阻、Rfog為流體和出管管壁的熱阻、Rgg為兩管之間熱阻、Rgs為回填料與巖土體的熱阻。

來源：《中國地?zé)帷?023年10月刊

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