地埋管換熱器水熱耦合模擬研究

龍 燾，陳 剛，胡 成，王 碧

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

地埋管換熱器水熱耦合模擬研究

龍 燾，陳 剛，胡 成，王 碧

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

地埋管換熱器是地溫空調(diào)的重要組成部分，由于地下水流場(chǎng)的存在，熱量在地埋管周圍巖土體中的傳遞不只有熱傳導(dǎo)，還存在水動(dòng)力場(chǎng)條件下的熱對(duì)流、熱彌散，因此地下水的滲流作用對(duì)地埋管換熱器換熱的影響不容忽視。通過野外原位試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)地埋管換熱器的水熱耦合進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：利用Feflow軟件建立的地埋管換熱器水熱耦合模擬模型是可靠的；通過對(duì)比試驗(yàn)，在滲流無(wú)滲流條件下地埋管系統(tǒng)運(yùn)行48 h時(shí)溫度差為2.31℃，且滲流型地埋管系統(tǒng)的換熱效率較無(wú)滲流型地埋管系統(tǒng)的換熱效率高，可以用于工程推廣。

地埋管換熱器；地下水；水熱耦合；熱響應(yīng)試驗(yàn)

近年來，淺層地溫能作為一種清潔無(wú)污染的新能源越來越受到人們的關(guān)注，目前利用淺層地溫能主要有兩種方式：通過直接抽取地下水進(jìn)行熱交換的水源熱泵；通過地埋管換熱器與地下巖土體進(jìn)行換熱的地源熱泵。針對(duì)地埋管換熱器與地下巖土體換熱的地源熱泵，在以往的研究中主要采用解析方法對(duì)地埋管換熱器周圍地下巖土體溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行研究，往往忽略地下水滲流作用對(duì)地埋管換熱器換熱的影響[1-3]，如Eskilson認(rèn)為地下水流動(dòng)對(duì)于地埋管換熱器的換熱過程的影響是微不足道的，并指出在滲流流速為1.5×10-8m/s時(shí)，相比于純導(dǎo)熱的情況，換熱能力只提高了不到2%[4]。隨著地源熱泵技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)多換熱孔、間歇運(yùn)行等工況，這時(shí)采用解析方法求解變得十分困難，在此背景下數(shù)值模擬技術(shù)被越來越多地用于地埋管換熱器的換熱研究中，如前期學(xué)者Wagner等[5]、Casasso等[6]采用ANSYS、FLUENT等軟件模擬地埋管換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行條件下?lián)Q熱器周圍巖土體溫度場(chǎng)變化情況,但研究中對(duì)滲流條件下地埋管換熱器的換熱情況研究較少。筆者認(rèn)為地下水作為熱量的良好載體，當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器周圍存在地下水滲流時(shí)，地埋管換熱器的換熱特征與無(wú)滲流場(chǎng)純導(dǎo)熱條件下的地埋管換熱器的換熱特征顯然是不一致的。為了探究滲流條件下地埋管換熱器的換熱特征，本文設(shè)計(jì)存在地下水滲流條件下的地埋管換熱器水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬手段對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在同一場(chǎng)地進(jìn)行無(wú)地下水滲流條件下的地埋管換熱器水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)加以對(duì)照分析。

1 水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

本次地埋管換熱器水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)選擇在福建省福州市平潭縣蘆洋鄉(xiāng)一農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)為沿海灘涂的砂、淤泥互層。按照含水層性質(zhì)將其劃分為上部的潛水含水層和下部的承壓含水層。經(jīng)過對(duì)上部潛水和下部承壓水水位的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，其水位變動(dòng)日平均變化量不超過2 cm，含水層與海水無(wú)水力聯(lián)系，地下水水位基本穩(wěn)定不受潮汐的影響。

試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖1所示，中間為RK4熱響應(yīng)

試驗(yàn)孔，RK4東西兩側(cè)1 m處各有兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)孔，此外SW1為潛水抽水孔，SW2和SW3分別為承壓水和潛水水文觀測(cè)孔(或水位監(jiān)測(cè)孔)。

本次鉆探過程中分層取原狀樣，并測(cè)定樣品的孔隙度、滲透系數(shù)[7]、導(dǎo)熱系數(shù)[8]、熱容量等熱物性參數(shù)，詳見表1。

表1 巖層空間分布特征及其熱物性參數(shù)

注：表中“*”表示取自經(jīng)驗(yàn)值[9-10]。

1.2 試驗(yàn)流程

本次水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)[11-13]剖面示意圖如圖2所示，試驗(yàn)流程如下：

(1) 對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行抽水試驗(yàn)，穩(wěn)定抽水流量為223.2 m3/d，并用配線法分別計(jì)算出上部潛水含水層的滲透系數(shù)為4.5 m/d，下部承壓含水層的滲透系數(shù)為2.2 m/d，該參數(shù)用于地埋管換熱器水熱耦合模型的建立。

(2) 由于潛水含水層導(dǎo)水性較好，對(duì)SW1孔抽水時(shí)熱響應(yīng)孔R(shí)K4周圍巖土體的地下水流速較快，流場(chǎng)對(duì)熱響應(yīng)試驗(yàn)的影響也較大，故選擇在熱響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)對(duì)SW1孔進(jìn)行抽水。SW1鉆孔濾水管位于上部潛水含水層，下部設(shè)置套管，故熱響應(yīng)滲流耦合發(fā)生在上部潛水含水層中，下部承壓含水層無(wú)滲流。

(3) 熱響應(yīng)試驗(yàn)于2014年1月18日開始進(jìn)行無(wú)負(fù)載空轉(zhuǎn)，并同時(shí)對(duì)SW1孔進(jìn)行抽水；無(wú)功循環(huán)1 d后，于2014年1月19日開始對(duì)循環(huán)流體進(jìn)行加熱，抽水試驗(yàn)全程保持穩(wěn)定運(yùn)行；加熱循環(huán)5 d(功率6 kW)，期間按時(shí)(白天間隔1 h，晚間無(wú)測(cè)量)測(cè)定主孔及溫度監(jiān)測(cè)孔溫度傳感器溫度值，試驗(yàn)于2014年1月23日停止運(yùn)行。

(4) 2014年8月21日在同一場(chǎng)地不抽水，只開展熱響應(yīng)試驗(yàn)，并進(jìn)行了無(wú)滲流條件下加熱功率同樣為6 kW的熱響應(yīng)試驗(yàn)作為對(duì)照。

2 水熱耦合數(shù)值模擬

2.1 模擬軟件簡(jiǎn)介

本次水熱耦合模擬采用的是地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Feflow中的水熱耦合模擬模塊。Feflow軟件是由德國(guó)的DHI公司于20世紀(jì)80年代初期開發(fā)的，是迄今為止功能最為齊全的一款模擬地下水流動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移和熱運(yùn)移的數(shù)值模擬軟件。該軟件中有較好刻畫地埋管換熱器和抽水井的模塊，能夠滿足本次水熱耦合模擬的需求。

2.2 水文地質(zhì)條件概化

本次水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)在砂層中進(jìn)行，砂層導(dǎo)水性較好，附近無(wú)隔水或定水頭邊界可視為含水層側(cè)向無(wú)限延伸，抽水前地下水水力坡度小于1‰，天然流場(chǎng)較小和抽水產(chǎn)生的流場(chǎng)相比可忽略不計(jì)，試驗(yàn)進(jìn)行過程中無(wú)降雨且忽略蒸發(fā)影響，初始水頭設(shè)為8 m。根據(jù)以上條件設(shè)定長(zhǎng)寬分別為200 m、水頭為8 m的定水頭邊界，場(chǎng)地內(nèi)初始水頭為8 m，抽水孔設(shè)置在場(chǎng)地中心，抽水量為試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測(cè)值223.2 m3/d，含水層為非均質(zhì)各向同性。具體水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)定見表1。

2.3 地下水滲流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上水文地質(zhì)條件概化結(jié)果，試驗(yàn)?zāi)M區(qū)的地下水滲流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為

(1)

(x,y)∈B,t>0

H(x,y,t)|t=0=H0(x,y) (x,y)∈B

(2)

H(x,y,t)|(x,y)∈B1=H1(x,y)

(3)

(x,y)∈B1,t>0

式中：H為地下水水頭(m)；Kxx、Kyy、Kyy分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)(m/d)；H0為初始水頭(m)；H1為模型邊界水頭(m)；B為地下水流模擬區(qū)域；B1為定水頭邊界，第一類邊界。

2.4 地下水滲流場(chǎng)數(shù)值模擬

本次采用Feflow軟件進(jìn)行地下水滲流場(chǎng)模擬，模型采用三角剖分，在抽水孔和熱響應(yīng)試驗(yàn)孔附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，剖分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)204 336個(gè)，網(wǎng)格393 837個(gè)。如圖3所示，水平方向?yàn)?00 m×200 m的方形區(qū)域，垂向上為65 m厚的巖土體。地埋管所在區(qū)域按每層1 m設(shè)置，分為66層；在60～65 m緩沖地帶，為獲得更優(yōu)的計(jì)算結(jié)果，將每層設(shè)置為0.5 m厚，分為10層。

地下水滲流場(chǎng)模擬時(shí)間為2014年1月18日10點(diǎn)至1月19日10點(diǎn)，圖4為試驗(yàn)場(chǎng)地潛水含水層中部(模型第6層，地下5 m～6 m處)的地下水滲流場(chǎng)模擬結(jié)果。圖4中，上部方形區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)模擬區(qū)范圍，由于抽水影響范圍較整個(gè)區(qū)域較小，故把抽水孔和熱響應(yīng)試驗(yàn)孔附近區(qū)域放大顯示(如長(zhǎng)方形區(qū)域所示)，長(zhǎng)方形區(qū)域尺寸為22 m×6 m，左側(cè)水頭降低點(diǎn)A(100,100)為抽水孔SW1，右側(cè)B點(diǎn)(115,200)為熱響應(yīng)試驗(yàn)孔R(shí)K4。

2.5 地埋管換熱的數(shù)學(xué)模型

地埋管換熱的數(shù)學(xué)模型為

(4)

rb≤r<∞,t>0

T(r,t)=T0rb≤r<∞,t>0

(5)

(6)

T(r,t)=Tg,r→∞,t=0

(7)

式中：T(r,t)為t時(shí)刻距地埋管半徑r處的土壤溫度(℃);Tg為土壤遠(yuǎn)邊界的初始地溫(℃)；Q為地埋管熱流(kW)；L為鉆孔深度(m)；λ為周圍巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]。

2.6 基于Feflow軟件的水熱耦合模擬

將試驗(yàn)場(chǎng)地的初始地溫22.4℃設(shè)置為熱運(yùn)移模型的初始條件，模型邊界在熱響應(yīng)試驗(yàn)影響半徑之外，故設(shè)置為22.4℃的定溫度邊界，模型中各層巖土體的熱物性參數(shù)見表1。中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置為多層井，中心節(jié)點(diǎn)東側(cè)15 m處節(jié)點(diǎn)設(shè)置為熱響應(yīng)試驗(yàn)孔，孔深60 m；模擬時(shí)間為2014年1月19日10點(diǎn)至1月23日8點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)設(shè)置抽水孔節(jié)點(diǎn)持續(xù)抽水；設(shè)置熱響應(yīng)試驗(yàn)儀節(jié)點(diǎn)以6 kW的加熱功率加熱，試驗(yàn)儀內(nèi)部載熱流體流速為35 m2/d；在熱響應(yīng)節(jié)點(diǎn)兩側(cè)1 m處各設(shè)置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)熱響應(yīng)節(jié)點(diǎn)周圍溫度變化情況，并用以和原位試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。

在Feflow軟件中采用特殊處理方法(BHE tool)來刻畫鉆孔換熱器，而周圍的巖土體采用三維有限元的處理方法。通過采用該處理方法，鉆孔換熱器的各參數(shù)都能很容易地在換熱器輸入菜單中輸入，見圖5?；阢@孔換熱器內(nèi)部換熱的模型刻畫，有兩種模擬計(jì)算方法可供選擇：解析法和數(shù)值法。這兩種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：據(jù)已有資料證實(shí)，對(duì)于短時(shí)間(幾個(gè)小時(shí)內(nèi))的模擬計(jì)算，采用數(shù)值策略可使各瞬態(tài)溫度響應(yīng)都有較好結(jié)果反映，而采用解析策略則偏差較大；但是，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的模擬計(jì)算(1 a及1 a以上)，采用解析策略取得的計(jì)算結(jié)果更優(yōu)于數(shù)值法[14]。因此，在本次水熱耦合模擬中采用數(shù)值法進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 溫度場(chǎng)模擬

圖6為2014年1月23日8點(diǎn)時(shí)試驗(yàn)場(chǎng)地潛水含水層中部(模型第6層，地下5～6 m處)的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果。由圖6可見，溫度場(chǎng)呈紡錘形狀分布，從換熱器中心向四周溫度逐漸降低；由于存在A點(diǎn)抽水的影響，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)向抽水孔方向運(yùn)移的趨勢(shì)。圖6上部方形區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)模擬區(qū)范圍，由于溫度場(chǎng)影響范圍較整個(gè)區(qū)域小，同樣把抽水孔和熱響應(yīng)試驗(yàn)孔附近區(qū)域放大顯示(如長(zhǎng)方形區(qū)域所示)，長(zhǎng)方形區(qū)域尺寸為22 m×6 m,左側(cè)水頭降低點(diǎn)A(100,100)為抽水井SW1，右側(cè)B點(diǎn)(115,200)為熱響應(yīng)試驗(yàn)孔R(shí)K4。

3.2 地埋管出口溫度的變化

圖7為該地埋管換熱器在2014年1月19日至1月23日水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)過程中載熱流體出口水溫模擬值與實(shí)測(cè)值隨時(shí)間的變化曲線[15]。

由圖7可以看出：地埋管出口水溫的模擬值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)是一致的，即溫度在開始階段升高較快，之后趨于平緩。但從整個(gè)過程來看，地埋管出口水溫的模擬值略高于實(shí)測(cè)值，但兩者之間的差值一般小于0.7℃。

同樣地，在地埋管換熱器的換熱初期，水流在經(jīng)加熱器加熱后溫度迅速升高，進(jìn)入到地埋管換熱器后與周圍巖土體以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱彌散為換熱方式進(jìn)行排熱，開始階段熱量來不及向遠(yuǎn)端巖土體傳遞，就在換熱器附近產(chǎn)生局部熱堆積，使局部溫度快速升高，降低了循環(huán)流體與周圍巖土體之間的換熱溫差，造成出口水溫也持續(xù)上升；隨著這一相互耦合過程的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)換熱器周圍巖土體溫度升高到某一值后，其進(jìn)出口水溫將緩慢變化，換熱也就進(jìn)入到了一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)孔溫度的變化

地埋管換熱器釋熱是通過與周圍巖土體換熱來實(shí)現(xiàn)的，隨著換熱的持續(xù)進(jìn)行，周圍巖土體溫度發(fā)生變化的范圍越來越大，鄰近巖土體的溫度會(huì)有不同程度的升高。為進(jìn)一步對(duì)所建立的滲流型地埋管換熱器換熱模型進(jìn)行驗(yàn)證，本次主要針對(duì)有強(qiáng)制滲流流動(dòng)的潛水含水層展開研究，特在離地埋管換熱器上游、下游各1 m處設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)孔，溫度探頭分別布設(shè)在1 m、2 m、4 m、7 m、9 m、12 m、15 m、18 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m及60 m深度處。

試驗(yàn)過程中，在白天通過對(duì)各監(jiān)測(cè)探頭進(jìn)行溫度讀取，發(fā)現(xiàn)：處于地埋管上游處的溫度傳感器溫度基本沒變化；地埋管下游處的溫度傳感器部分溫度有所升高，主要為有滲流流動(dòng)的區(qū)段，也就是處于4 m、7 m及9 m深度處的溫度探頭。圖8為處于換熱器下游(r=1 m)4 m、7 m及9 m深度處巖土體模擬溫度及實(shí)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由于是在潛水含水層抽水，并且受地下水流向影響，深度大于9 m的溫度傳感器和位于地埋管換熱器上游的溫度傳感器的溫度無(wú)明顯響應(yīng)，基本保持初始地溫。

由圖8可以看出： 4 m、7 m及9 m深度處巖土體的模擬溫度變化情況是完全一致的，這是由于模型中假定潛水含水層中滲流流速在各深度都是相等的，且熱物性參數(shù)都是一致的；當(dāng)離換熱器的水平距離一致時(shí)，各巖土體的溫度變化情況是一致的。而4 m、7 m及9 m深度處巖土體的實(shí)測(cè)溫度卻有所不同，但總體變化趨勢(shì)與模擬溫度的變化趨勢(shì)是基本一致的，即在系統(tǒng)運(yùn)行的前3 000 min之前溫度升高較快，之后溫度升高的趨勢(shì)漸緩，這是由于開始階段換熱器附近周圍熱堆積明顯，熱量來不及向遠(yuǎn)端巖土體傳遞，巖土體的溫度也就快速升高[9-10]；而隨著換熱的持續(xù)進(jìn)行，在巖土體自身導(dǎo)熱能力及滲流作用的促進(jìn)下，熱量向外傳輸?shù)哪芰Φ玫郊訌?qiáng)，局部熱堆積得到緩解，巖土體溫度升高的速度也變緩[16]。同時(shí)，非滲流段(r=1 m)的溫度探頭顯示溫度均未發(fā)生變化，也證明了地下水滲流流動(dòng)對(duì)換熱器換熱能力的有效強(qiáng)化。

當(dāng)然，4 m、7 m及9 m深度處巖土體實(shí)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化情況也各有差異，分析其原因，認(rèn)為主要是由于為了研究的方便，假設(shè)巖土體(潛水層)為均質(zhì)、各向同性、熱物性性質(zhì)處處相同的中砂層，但真實(shí)條件下的中砂層肯定是不符合假定條件的，其滲流流速、導(dǎo)熱性能的差異就有可能造成溫度變化的差異。但是，其模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)一致，且其誤差不超過1℃，說明所建立的滲流型地埋管換熱器換熱模型是正確的，可直接應(yīng)用于工程實(shí)際中。

在綜合分析地埋管換熱器出口模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度[17]的變化情況以及周圍巖土體模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度的變化情況后，可見本文所建立的滲流作用條件下的地埋管換熱器換熱模型是合理的，用于工程設(shè)計(jì)其模擬計(jì)算成果是可信的。

本文提取抽水孔工作條件下(存在地下水滲流狀態(tài))換熱器進(jìn)出口平均溫度變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和抽水孔關(guān)閉條件下(無(wú)地下水滲流狀態(tài))換熱器進(jìn)出口平均溫度變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果見圖9。

由圖9可以看出：滲流條件下?lián)Q熱器進(jìn)出口的平均溫度明顯低于無(wú)滲流條件下?lián)Q熱器進(jìn)出口的平均溫度。根據(jù)線熱源模型，無(wú)滲流條件下擬合出進(jìn)出口平均溫度-時(shí)間變化曲線的擬合方程為T=3.97×ln(t)+22.22，滲流條件下擬合出的進(jìn)出口平均溫度-時(shí)間變化曲線的擬合方程為T=3.97×ln(t)+19.63，當(dāng)換熱系統(tǒng)運(yùn)行48 h時(shí)，無(wú)滲流條件下?lián)Q熱器進(jìn)出口平均溫度比滲流條件下?lián)Q熱器進(jìn)出口平均溫度高2.31℃。

地埋管換熱器每延米換熱功率Q為

式中：Q為單位換熱功率(W/m)；ΔT為換熱溫差(℃)；(ρc)ref為地埋管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的熱容量[J/(kg·℃)]；q為循環(huán)介質(zhì)流量(m3/s)；L為地埋管換熱器的深度(m)。

地埋管換熱器的換熱能效系數(shù)E為實(shí)際換熱量Q實(shí)與理論最大換熱量Q′的比值，即E=Q實(shí)/Q′，可將其化簡(jiǎn)為：換熱能效系數(shù)=進(jìn)出口溫度差/(進(jìn)口溫度-巖土體初始溫度)。

4 結(jié) 論

(1) 通過滲流條件下地埋管換熱器水熱耦合熱響應(yīng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，可知試驗(yàn)條件下?lián)Q熱器出口溫度和滲流段巖土體溫度實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差并不大，故說明本文建立的滲流條件下的水熱耦合模擬模型是可靠的。

(2) 無(wú)滲流條件下?lián)Q熱器進(jìn)出口平均溫度較滲流條件下?lián)Q熱器進(jìn)出口平均溫度高，根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，換熱器系統(tǒng)運(yùn)行48 h時(shí)其溫度差為2.31℃。

(3) 滲流條件下熱換器出口的溫度較無(wú)滲流條件下更低，故可一定程度上提高地埋管的換熱效率和換熱的可持續(xù)性，地下水流場(chǎng)的存在對(duì)地埋管換熱器的運(yùn)行有積極影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，換熱器系統(tǒng)運(yùn)行48 h，滲流條件下?lián)Q熱器的每延米換熱功率較無(wú)滲流條件下高15.84%，滲流條件下?lián)Q熱能效系數(shù)較無(wú)滲流條件下高23.35%。故在以后的工程實(shí)踐中，可以把地埋管換熱器設(shè)置于存在一定地下水流場(chǎng)的環(huán)境中以提高換熱效率。

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Research on Hydro-thermal Coupling of the Borehole Heat Exchangers

LONG Tao，CHEN Gang，HU Cheng，WANG Bi

(SchoolofEnvironmentalStudies，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China)

A borehole heat exchanger is one of the important parts of geothermic air-conditioner.However, so far there has been little research about the effect of borehole heat exchangers.Because of the existence of the groundwater flow field,heat transfer in the surrounding rock and soil mass is not only by the way of thermal conduction,but also by the way of thermal convection and dispersion under the hydrodynamic field.This paper studies hydro-thermal coupling of the borehole heat exchangers by using in-situ test and numerical simulation and the conclusions are:the hydro-thermal coupling model established by the FEFLOW software is reliable;the temperature difference between the systems with and without percolation after running 48 hours is 2.31℃.The thermal efficiency of the borehole heat exchanger system with percolation is higher than that without percolation,and the former one can be applied in engineering.

borehole heat exchanger;groundwater;hydro-thermal coupling

1671-1556(2015)04-0016-06

2014-11-06

2015-05-11

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212011120159)

龍 燾(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)與工程地質(zhì)。E-mail：longtt1990@hotmail.com

X382

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.003

陳 剛(1967—)，男，副教授，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)以及3s 技術(shù)方面的研究。E-mail：chengang@cug.edu.cn