[01787245]岩溶地区红粘土热湿迁移特性及其对地源热泵效率的影响

中国西南部是碳酸盐岩溶的典型分布地区，其上覆红粘土层中存在着复杂的热-湿迁移耦合作用；该地区丰富的岩溶地下水和复杂的气候环境对地埋管与周围土壤之间的热交换过程产生显著影响；因此，在利用地源热泵技术开采浅层地能的过程中，一直未能针对岩溶地区的红粘土建立合理的换热模型，使该地区的地热能利用和推广面临着重大挑战。 项目组围绕这一课题，在大量试验的基础上，进行了岩溶地区红粘土的热湿迁移机制及其对土-热泵之间热交换影响的理论分析和数值模拟，取得以下主要成果：1)综合运用X射线衍射、全化学元素分析、Bogue法、K值法等方法确定了所取4种红粘土试样的矿物成分；采用热探针法对红粘土的热特性及变化规律进行研究，发现红粘土的热导率、比热容随体积含水率的增加而线性递增，热导率变化曲线存在临界含水率点；红粘土的热导率、比热容、热扩散率均随干密度的增加而线性递增；采用有效介质理论模型(EMT模型)和并联模型可分段计算广西红粘土的热导率；红粘土的热导率随温度升高、盐浓度增加而增加。2)建立了渗流-传热耦合一维模型试验装置和渗流-热传递-地埋管换热耦合的试验平台，探讨了温度场和渗流场耦合作用下红粘土的传热效能，并进行了数值模拟，发现渗流加快了土壤内热量传递，有利于散热，可有效缓解地埋管换热器周围土壤中热量堆积的现象。3)开展了不同工况的地源热泵运行试验，揭示地源热泵运行过程中土体的热湿迁移效应及其对系统运行特性的影响规律：热泵机组间隙运行有利于土壤温度场的恢复，系统性能系数COP增加；土壤温度场的变化幅度随着与地埋管距离的增加而递减，竖埋管和水平埋管热作用的影响半径分别约为2.0m、1.0m。4)对桂林岩溶地区土层进行了热交换模拟，分析了气象波动、土中渗流对地埋管换热效果的影响，揭示了岩溶地区季节性地下水变动影响下的土壤热交换规律，认为地下水渗流可使竖埋管换热效果提高到2.69～3.69倍，提出了合理的地埋管布置形式，为工程设计提供理论参考。通过该项目的系统研究，课题组在红粘土的热物理特性及变化规律、红粘土中热-湿传递与渗流-传热作用机制、地源热泵运行过程中土体的热湿迁移效应及其对系统运行特性的影响规律、岩溶地质构造和气候波动对地埋管换热性能的影响规律等4个方面取得了一系列显著成果，通过自主建立的地源热泵岩土体原位观测平台，获取了岩溶地质条件下开采浅层地热能的关键数据，成功解决了岩溶地区地源热泵技术利用的一系列关键技术难题，在广西地区的地源热泵设计、施工中获得了初步应用和推广，具有良好的社会经济效益和应用价值。 该成果的相关理论、方法和技术已获得国家发明专利授权5项、实用新型专利授权1项；课题组在国内外学术期刊公开发表学术论文25篇，其中：SCI收录5篇，EI收录8篇，其他均为中文核心(科技核心1篇)，促进了地源热泵利用技术的学术交流，拓展了该领域的研究范畴，具有较高的学术价值。