严寒区域中深层地热井套管换热影响因素分析

中深层同轴套管换热技术通过套管内部流体循环达到提取地下深层地热能的目的.由于换热器出口温度高,是严寒地区建筑物冬季采暖热源的良好选择.通过对同轴套管与源侧岩土体传热过程的分析,基于标准κ-ε模型,采用Simple压力速度求解方法,建立流热固耦合二维非稳态数值传热模型.研究结果表明,由于中国长春冬季寒冷,热泵运行期间,浅部地层温度低于换热器进口流体温度,地面向下3.9 m范围岩土体呈热源漏斗,随着地层深度增加,逐渐转变为热汇漏斗.热泵运行第1周,换热器出口温度及换热量迅速降低,运行1个月后趋于平稳,整个供暖周期内,地埋管出口温度单位时间下降幅度越来越小,出口温度与时间之间的关系呈幂函数形式递减趋势.随着固井水泥导热系数增加,换热量增加,当固井水泥导热系数大于岩土体后趋于稳定.内管导热系数增大,热短路现象严重,换热器出口温度及换热量降低.在热泵机组24 h开启和停止时间之比(启停比)分别为16 h∶8 h、12 h∶12 h和8 h∶16 h时,换热器出口温度和换热量呈不规则变化,但整体呈逐渐降低趋势.热泵停止运行时间越长,源侧岩土体温度恢复越佳,再次开启时出口温度和换热量越大.通过数值模型分析可以得到套管换热器各影响因素的变化规律.