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,逐漸引起人們的極大興趣。但隨著儲熱溫度的增高,發(fā)展該項技術也面臨著諸多問題: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、料失水固結等,都在很大程度上影響著土壤儲熱技術的發(fā)展。
　　本文從分析國內(nèi)外溫度場、濕度場、應力場及其耦合效應的研究現(xiàn)狀出發(fā),將水熱耦合的兩場間關系拓展到熱、濕、力三場。根據(jù)含水層儲能和地埋管儲能兩種不同方式,建立相應的三場耦合物理模型,并進行數(shù)值求解;通過室內(nèi)高溫熱物性參數(shù)測定,微觀結構分析以及溫度、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驗,明確并分析了三種材料

3、在高溫下的傳熱過程,為指導實際工程應用提供數(shù)據(jù)支持;并以節(jié)能樓儲熱示范項目為例,分析了熱、濕間相互影響關系。研究結果進一步清晰理解土壤儲熱過程中多場耦合的相互作用機理及對換熱效率的影響規(guī)律,為完善土壤儲能技術,促進可再生能源利用方面具有重要指導作用。
　　主要工作及結論包括:
　　(1)在單場、兩場耦合的歸納基礎上,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,著重考慮了水汽擴散因子在傳熱、傳質(zhì)中

4、的應用,同時在確定有效應力參數(shù)時,將微觀統(tǒng)計中的水汽接觸面積,即兩相間表面自由能對毛細作用的影響代入到多孔介質(zhì)的力學行為中,為非飽和土中有效應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、水汽擴散增強因子、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;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例分析,得出當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、固結及傳熱特性進行模擬分析,得出長期抽灌不平衡會造成含水層區(qū)域地表沉降的結論。
　　(3)搭建熱收縮試驗臺,對三種典型回填材料的高溫收縮性進行試驗,通過正交試驗法對土壤類型、溫度、密度三因素進行分析,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,進行高溫排熱試驗,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,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行長期全面監(jiān)測,總結出