摘要
随着能源消耗的增长,保护环境,可持续化发展与节能减排是当今社会的主题。十三五规划的要求,推广和应用新能源作为传统能源的补充是一项关系国家健康、可持续化发展的必经之路。其中,建筑能耗已经在社会总能耗中占据了相当大的比重,而地源热泵是一种高效利用浅层地热资源来为建筑供热制冷的系统,其低能耗、易维护的特性得到了社会的认可,但地源热泵的应用中,由于所处不同地质条件、不同气候和不同建筑用途加上机组常年运行,都会影响了从地下取热和放热的比例,会导致热失衡问题,从而影响热泵系统的使用寿命和效率。而岩溶地貌在我国南方广泛分布,地质条件特殊,地下水丰富,无论是地下热物理参数,还是地下的岩溶特殊地质构造及活跃的地下水运动都会对地源热泵地埋管换热器地下换热效率以及岩土热平衡产生积极影响。因此,对岩溶地区地源热泵换热进行针对性的研究,解决热失衡(热堆积)问题,有助于地源热泵在岩溶地区推广和应用。本文围绕着地源热泵系统应用中的热堆积问题的应对,创新性地提出了利用岩溶地区水文地质条件的两种针对热堆积风险的解决方案。首先,提出了一种主要利用岩溶水的新型复合式热泵机组(Hybrid Ground Source Heat Pump Hy GSHP),以及一套选型方法以应对热堆积问题,并展示不同复合式热泵和单独使用土壤源热泵的经济性对比分析。而后,本文提出的另一个潜在解决方案是利用地下裂隙岩溶水的存在,结合石油领域的水力致裂技术,对埋管周围岩体致裂后,增强岩体渗透率并强化换热的地埋管换热器,即“增强型地埋管”。作为铺垫,本文先提出了一个数学模型,通过竖直模拟的手段来研究三个因素(即不同裂隙流速度、不同裂隙数量和不同裂隙分布)影响下的岩体的温度场和机组各项性能参数。经过模拟软件COMSOL Multiphysics完成对地埋管换热器的机组长期运行的模拟仿真,得到了不同条件下的地埋管近场的温度场分布和在这些不同条件下的各种参数,包括近场平均温度、地埋管出水温度、COP_c(Coefficient of Performance for Cooling,COP_c)、单位长度换热量。以此,来量化各个影响因素对于岩溶地区地埋管的换热性能表现。最后,以该数值模拟研究为基础,提出了“增强型地埋管”这一概念,并通过数值模拟研究评估“增强型地埋管”的换热效率。研究发现,本文提出的复合热泵系统选型方案可以保证从地下投入取出总热量平衡,理论上可以将热不平衡率控制到接近0。其中一种方案(夏季使用地下水源热泵+土壤源热泵+空气源热泵,冬季使用地下水源热泵+土壤源热泵),比单独使用土壤源热泵系统成本更低,更具潜力,最多可以减少16.10%的年化总费用。另一种解决方案,即夏季使用地下水源热泵和空气源热泵,冬季使用地下水源热泵和燃气锅炉,在水量充足时,该方案的年化总费用与单独使用土壤源热泵系统相当,但是初投资减少了73%。这对于公司减少初期投资是一个非常经济有效的方案。通过计算机模拟发现,不同裂隙水流速在高于一个阈值的情况下对地下温度场和热泵效率的影响没有区别;另外,裂隙越多,各项性能参数表现越好,值得注意的是,竖直裂隙在没有完全接触埋管壁时,水平裂隙的影响比竖直裂隙对换热效率的影响更明显。地埋管在裂隙岩体中的单位长度换热量在有3个水平裂隙存在前提下最多可以比其在无裂隙岩体中高78.83%,COP_c也相应高出4.5%。在模拟研究的基础上,提出了“增强型”地埋管换热器的概念。不同于自然裂隙,人造裂隙可以贴着钻孔壁,使得更多的地下水直接与钻孔壁接触,带走更多热量。通过模拟研究发现,裂隙数量越多,埋管的单位长度换热率更高。另外也发现数值裂隙对埋管换热效率的影响比水平裂隙更大,存在竖直1对裂隙和水平1对时,单位长度埋管换热率比无裂隙情况下提高了12.46%和25.38%,差距不是很大。但当增加裂隙对时,5根竖直裂隙比无裂隙情况的换热效率提升了112.07%,而同样条件下线5根水平裂隙对相对于无裂隙下的地埋管提升了65%左右。因此,可以得到裂隙可以高效地提升地埋管的换热效率,降低地下热堆积的风险。而人造竖直裂隙可以将提升最大化。