基于大直径能源井热响应实验的地热土壤热物性参数实用计算方法

推荐 为解决传统线热源模型在模拟大直径能源井（Energy Shaft）时因忽略结构与土壤热物性差异导致的计算误差，研究人员提出了一种基于叠加理论的非稳态热传递模型。该模型通过圆柱混凝土测试结构验证，显著提升了土壤导热系数和结构热阻的计算精度，同时将计算负荷降低超50%，为地源热泵系统优化设计提供了高效可靠的数据支持。

　　

论文解读
地热能作为清洁能源的重要分支，其高效开发依赖于对地下热物理参数的精准测量。传统线热源模型（Line Source Model）虽被广泛应用于地埋管换热器（Buried Pipe Heat Exchanger）的热响应测试，但其假设条件与实际工程中大直径能源井的结构特性存在显著差异。例如，能源井通常采用较大直径（如本文测试结构直径达0.6米）的混凝土空心结构，而传统模型多基于高密度聚乙烯（HDPE）细管设计，导致计算结果偏差高达4.5%-5.0%（依据ASHRAE指南）。此外，能源井的浅层埋设（深度30米内）和动态热传递过程进一步加剧了模型失配问题。为此，中国科研团队针对这一挑战，设计了一种新型圆柱混凝土测试结构，并基于叠加理论开发了考虑材料异质性的非稳态热传递模型。

该团队通过实验验证发现，新模型在描述能源井热传递过程时，不仅准确捕捉了结构与土壤间的热阻差异，还显著提升了计算效率。与传统线性模型相比，其在保持同等精度的同时，计算负荷减少超过50%。具体而言，研究采用恒定热流法评估测试结构的响应特性，并对比分析了线热源模型、空心柱热源模型及实心柱热源模型的适用性。结果表明，新模型在动态传热阶段（即傅里叶数F?<5时）的预测误差较传统模型降低约30%，且能更真实地反映土壤导热系数（Thermal Conductivity）和结构热阻（Thermal Resistance）的耦合作用。

在技术方法上，研究依托圆柱混凝土测试结构（直径0.6米，深30米）进行热响应实验，结合温度传感器实时监测进出口温差及流量数据。通过数值模拟与实验数据的迭代优化，最终建立了适用于大直径能源井的非稳态热传递模型。该模型采用分层积分策略，将结构热物性与土壤特性解耦处理，从而避免了传统模型中因材料属性混同导致的参数反演偏差。

研究结论显示，新模型在工程应用场景中具有显著优势。例如，在重庆某地源热泵项目中，采用该模型计算的土壤导热系数误差小于3%，较传统方法提升约15%。此外，其计算效率的提升使得大规模场地测试数据处理时间缩短至原方案的40%以内。这一成果不仅为能源井设计提供了更精确的理论依据，还为地热资源的高效利用奠定了技术基础。论文发表于《Geoenergy Science and Engineering》，其创新性在于首次将叠加理论引入大直径井筒的热传递分析，填补了现有模型在动态传热过程中的理论空白。

值得注意的是，研究中强调的“非稳态”特性处理方法，尤其适用于浅层能源井系统。例如，在傅里叶数F?<1的初始加热阶段，传统模型因忽略瞬态热流分布规律而产生较大误差，而新模型通过分段积分策略有效解决了这一问题。此外，针对混凝土结构的高热容特性，研究团队引入修正系数以表征其与土壤间的热交换动态平衡，这一改进使得模型在复杂工况下的预测稳定性提高约25%。

综上所述，该研究通过创新性建模与实验验证，显著提升了大直径能源井热物理参数的测量精度与计算效率，为地源热泵系统的优化设计提供了重要工具。其成果不仅具有工程实践价值，还为地热能开发的理论研究开辟了新方向。