高温地下蓄能过程换热器热变形及其对传热影响的研究

During high temperature underground energy storage, the large temperature difference not only improves the heat exchange efficiency, but also causes heat and moisture transfer and thermal stress in the ground heat exchanger. The corresponding structural thermal deformation (e.g. settlement, interface separation) can cause heat transfer attenuation. These problems affect the safety of overlying structures seriously and the high efficiency of energy utilization. On the basis of seasonal energy storage with large temperature difference, this project focuses on the pressure-bearing ground heat exchanger (pipe-backfill-soil), investigates the parameter variation during the heat and moisture transfer (TH coupling) and the thermal stress (TM coupling). This project reveals the formation and evolution mechanism of backfill settlement and pipe-soil gap under the THM coupling effect, meanwhile, quantifies the heat transfer influence from the thermal deformation. Eventually, the research can provide a theoretical foundation for the safety analysis of the high temperature seasonal underground energy storage project, and promote the sustainable development of shallow geothermal energy application technology.

高温地下蓄能过程中，大温差虽可提高换热效率，但也使地下换热器产生热湿迁移和热应力问题，由此可导致结构热变形（如沉降、界面分离）及相应的传热衰减等问题，此问题的存在严重影响到上覆构筑物的安全性和能源利用的高效性。本项目基于大温差跨季节蓄能，以承压地下换热器（换热管-回填料-围土）为研究对象，通过分析换热过程中热湿迁移（热-湿耦合）和热应力（热-力耦合）参数变化，揭示热-湿-力（THM）耦合作用下回填沉降和管土间隙的形成和演化机理，量化热变形行为对换热器传热特性影响。该项目为跨季节高温地下蓄能工程的安全性分析提供理论依据，促进浅层地热能应用的可持续发展。

跨季节地下蓄能作为浅层地热能应用的一种模式，正在逐步成为实现“双碳目标”和清洁供热的有效途径。然而随着应用的不断深入，地下换热器已经开始表现出换热管变形、回填料沉降及干缩硬化、传热结构界面分离等变形问题，严重影响了换热效率以及长期服役寿命。上述问题可以归结为蓄热结构的结构热胀缩、热湿迁移和内部受力变化问题。因此，想要减轻或避免地下换热器的变形问题，必须充分认识换热过程蓄热体内温度、湿度以及内力三个参数的变化特性，在此基础上，再去研究变形规律和传热影响。 .对于换热土体大温差蓄能过程的热-流-力（THM）耦合作用机理问题，实验研究了80℃蓄热过程中温度、含水率和孔隙水压力三者的变化特性及关联性，结果发现土体含水率会先提高达到峰值，而后再出现热湿迁移现象，土体内压与含水率变化有较强相关性，间歇蓄热模式更有利于土内压力稳定；利用模型开展了三个年度跨季节蓄热-取热工况研究，结果发现，回填结构和蓄热原土表面分别出现5cm和4cm的沉降量。对于地下换热器变形的问题，实验研究了埋管在蓄热和取热过程中的热变形规律，结果发现，对于相同的温变，蓄热工况可比取热工况产生更大的结构变形；模拟研究了埋管热形变引起的管土间隙特性，表明降温比升温模式表现出更大的周向间隙范围，但其间隙截距更小；此外，基于寒冷地区冬季地下换热器低温取热工况，研究了冻结区发展规律以及埋管变形收缩特性，结果发现，冻胀可使换热管发生变形和收缩，与黏土基相比，砂土基回填材料的抗冻胀特性更强。对于地下换热器变形-传热衰减的问题，利用实验对比分析了换热管的初始弯曲程度和土体含水量对管土间隙以及传热衰减的影响，结果发现，衰减程度随蓄热温差增大逐渐减小，含水率对传热衰减的影响逐渐减弱，弯曲程度越大其传热衰减程度越大；通过模拟分析了换热管初始形态对管土间隙及传热衰减带来的影响，结果表明，采取措施避免螺旋态置管可减轻传热衰减。