【摘 要】
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浅层地热能是一种极具竞争力的绿色低碳的可再生能源,对实现“碳达峰,碳中和”目标有着重要的意义。地埋管热泵系统是开发浅层地热能的有效技术,它通过地埋管换热器与岩土接触进行热交换,因此岩土热物性参数、岩土地层结构均会对地埋管换热器传热性能产生影响。喀斯特地区浅层地热资源储量丰富,换热能力强,开发潜力大,但其岩溶发育典型,地质状况复杂,目前针对喀斯特地区的地埋管热泵系统相关研究较少。因此,本文在典型喀斯
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浅层地热能是一种极具竞争力的绿色低碳的可再生能源,对实现“碳达峰,碳中和”目标有着重要的意义。地埋管热泵系统是开发浅层地热能的有效技术,它通过地埋管换热器与岩土接触进行热交换,因此岩土热物性参数、岩土地层结构均会对地埋管换热器传热性能产生影响。喀斯特地区浅层地热资源储量丰富,换热能力强,开发潜力大,但其岩溶发育典型,地质状况复杂,目前针对喀斯特地区的地埋管热泵系统相关研究较少。因此,本文在典型喀斯特地区-贵州搭建地埋管换热系统砂箱实验平台以及建立数值模型,旨在通过实验与数值模拟相结合研究喀斯特地区岩土特征对于地埋管换热器传热的影响,期望为地埋管热泵系统在喀斯特地区的研究和应用提供理论依据。本文首先通过文献调研和测试,总结和分析贵州地区典型地层,并测试贵州典型岩土的导热系数,在此基础上搭建垂直单U地埋管传热特性砂箱实验台,实验分析岩土导热系数、岩土地层结构以及岩土体位置等因素对地埋管换热器传热效果的影响。并结合贵州典型地层结构,建立三维单U地埋管数值模型,研究分层结构下岩土厚度、导热系数与换热量之间的关系。研究结果如下:（1）岩土导热系数越大,地埋管进出口水温越低,换热系统的换热量及平均换热系数越大,换热性能越好,周围岩土温度越高,系统停止运行后周围岩土温度恢复愈快。（2）地埋管换热器处在分层结构下换热量更高,平均换热系数更大,传热性能更好,分层结构下周围岩土温度的恢复会表现出明显的分层特性;导热系数较大的岩土处在中下层时,对应的换热量更大,传热性能更好,周围岩土温度恢复越快。沿埋管自上而下,地埋管换热器对岩土导热系数变化的敏感性逐步增强。（3）分层结构下各层岩土厚度、导热系数的差异会引起换热性能的变化。若上层岩土导热系数较小,上层的岩土厚度的增加并不能有效地增强换热器的换热性能,反而可能会降低换热器的换热效率;相较于增加上层岩土厚度、上层岩土导热系数,增加下层岩土导热系数能够有效地增强换热器的换热性能。（4）通过正交实验和回归分析,建立了贵州典型地层结构下的换热量计算公式。考虑到可能出现多层地层结构,引入综合导热系数进行叠加计算,提出多层地层结构下换热量计算方法。
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