水-熱-力三場耦合作用下的土壤儲熱特性研究.pdf

1、土壤儲能作為一種新的能源利用形式,引起越來越多的關(guān)注。目前常用的儲能方式分為低溫和高溫兩種。在低溫(0~40oC)儲能中,由于其熱源來源的廣泛性而發(fā)展迅速,但在提高供熱效率及對熱源利用的充分性上存有不足,限制了其進(jìn)一步發(fā)展。高溫(40~90oC)儲熱基于熱品質(zhì)高及具有特定來源和取熱相對集中的特點(diǎn),逐漸引起人們的極大興趣。但隨著儲熱溫度的增高,發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)也面臨著諸多問題:如適宜回填材料的選取、大溫度梯度下水熱耦合作用以及高溫下埋管附近材

2、料失水固結(jié)等,都在很大程度上影響著土壤儲熱技術(shù)的發(fā)展。
　　本文從分析國內(nèi)外溫度場、濕度場、應(yīng)力場及其耦合效應(yīng)的研究現(xiàn)狀出發(fā),將水熱耦合的兩場間關(guān)系拓展到熱、濕、力三場。根據(jù)含水層儲能和地埋管儲能兩種不同方式,建立相應(yīng)的三場耦合物理模型,并進(jìn)行數(shù)值求解;通過室內(nèi)高溫?zé)嵛镄詤?shù)測定,微觀結(jié)構(gòu)分析以及溫度、密度、材料類型三者間的正交分析,獲得了砂、砂加膨潤土、粘土三種回填材料的熱收縮特性;通過高飽和度下的換熱實(shí)驗(yàn),明確并分析了三種材料

3、在高溫下的傳熱過程,為指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持;并以節(jié)能樓儲熱示范項(xiàng)目為例,分析了熱、濕間相互影響關(guān)系。研究結(jié)果進(jìn)一步清晰理解土壤儲熱過程中多場耦合的相互作用機(jī)理及對換熱效率的影響規(guī)律,為完善土壤儲能技術(shù),促進(jìn)可再生能源利用方面具有重要指導(dǎo)作用。
　　主要工作及結(jié)論包括:
　　(1)在單場、兩場耦合的歸納基礎(chǔ)上,針對兩種儲熱方式分別建立其地埋管儲熱、含水層儲能的熱-濕-力三場耦合模型,著重考慮了水汽擴(kuò)散因子在傳熱、傳質(zhì)中

4、的應(yīng)用,同時在確定有效應(yīng)力參數(shù)時,將微觀統(tǒng)計(jì)中的水汽接觸面積,即兩相間表面自由能對毛細(xì)作用的影響代入到多孔介質(zhì)的力學(xué)行為中,為非飽和土中有效應(yīng)力的確定提出了新的手段。
　　(2)針對土壤低溫、高溫儲熱類型和特征,分析了地埋管儲熱利用中熱物性參數(shù)確定、水汽擴(kuò)散增強(qiáng)因子、CT斷層掃描微觀特性等,為揭示土中熱質(zhì)傳遞及接觸變形奠定基礎(chǔ);利用Fluent軟件模擬了存在地下水滲流時的水熱耦合作用,并給出了典型工程實(shí)例分析,得出當(dāng)Pe數(shù)較大時需

5、考慮含水層對地埋管換熱產(chǎn)生的對流作用;同時運(yùn)用COMSOL軟件對含水層儲熱過程中的流固耦合及水熱力三場作用下的滲流、固結(jié)及傳熱特性進(jìn)行模擬分析,得出長期抽灌不平衡會造成含水層區(qū)域地表沉降的結(jié)論。
　　(3)搭建熱收縮試驗(yàn)臺,對三種典型回填材料的高溫收縮性進(jìn)行試驗(yàn),通過正交試驗(yàn)法對土壤類型、溫度、密度三因素進(jìn)行分析,獲得影響土樣收縮性的主次因素依次為土樣類型>溫度>密度。針對土壤儲熱中三種不同高飽和回填材料,進(jìn)行高溫排熱試驗(yàn),通過對

6、溫、濕度及排熱效率監(jiān)測,獲得高飽和條件下不同類型回填材料的換熱特性。得出在高含水率下界面收縮現(xiàn)象表現(xiàn)不明顯,儲熱效率隨溫度增加而增強(qiáng),且以砂作為回填料時效率最高;通過數(shù)值模擬方法,對低、高濕度條件下的上述回填材料進(jìn)行溫度場、濕度場、變形場耦合分析,明確出不同初始含水率和溫度下的三場耦合特性,結(jié)果表明低初始含水率的粘土在80oC時界面變形最為顯著。
　　(4)以節(jié)能樓為例,對跨季節(jié)儲熱平臺的地下溫度場和濕度場進(jìn)行長期全面監(jiān)測,總結(jié)出