一种新型地下水填充式地埋管换热器设计热性能的数值研究

《Renewable Energy》：Numerical investigations of the thermal performance of a novel groundwater – filled ground heat exchanger design

　　

摘要
地埋管换热器（Ground Heat Exchanger, GHE）是浅层地热系统（包括地耦合热泵和地下热能储存系统）的关键组成部分。通过创新设计降低其安装成本仍是一项重大挑战。本研究考察了一种旨在促进热诱导自然对流的新型地下水填充式地埋管换热器（Novel groundwater-filled Ground Heat Exchanger, NGHE）的热性能。该系统采用截锥形换热板，增加了单位深度的有效换热表面积，并增强了热诱导对流流动。研究人员建立了一个数值模型，并利用实验数据进行了验证，以评估该新设计在浅层地下安装深度（即地下室层以下3–9 m）的行为特性。研究提出并分析了三种安装配置。研究人员开展了一系列全面的模拟，以量化关键设计参数、安装几何结构和地下水文地质条件的影响。研究以意大利巴里（Bari）都市区作为气候与水文地质框架。结果表明，在多种安装配置、水文地质条件和运行模式下，新型地埋管换热器均比常规地埋管换热器（Conventional Ground Heat Exchanger, CGHE）设计更高效。这些发现表明，所提出的换热器可实现更紧凑且更具成本效益的浅层地热系统。

论文解读：新型地下水填充式地埋管换热器的热性能数值研究

一、研究背景与目的
地埋管换热器是浅层地热系统的核心部件，广泛应用于地耦合热泵和地下热能储存系统。然而，其安装成本，尤其是深井钻探费用，一直是制约技术推广的主要瓶颈。传统深埋系统虽然地温稳定，但钻井成本高昂；浅埋系统安装便捷，却需要较大占地面积，难以适应城市高密度建成环境。为降低造价并提升单位井深的热交换效率，学界探索了多种强化传热措施，包括使用高导热材料、优化换热器形状、采用导热灌浆或相变回填材料等，但这些手段大多受制于周围地层自身的传热能力，提升空间有限，且部分方案反而增加了材料与施工成本。因此，开发结构紧凑、安装成本低且换热性能优良的新型换热器设计，成为浅层地热利用领域亟待解决的技术难题。

针对上述问题，本研究提出了一种新型地下水填充式地埋管换热器，其核心创新在于采用截锥形换热板组，在垂直方向布置多个锥台单元，使地下水与循环工质在锥形通道内形成逆流换热。该结构不仅显著增大了单位井深的有效换热面积，还通过倾斜板面促进了热诱导地下水对流，从而强化了换热器与周围饱和介质之间的热量交换。研究人员将该设计与其对应的常规同轴地下水填充式换热器在三种典型安装配置下进行了系统的数值对比分析，旨在验证新设计在不同水文地质条件和运行工况下的热性能优势。

二、关键技术方法
研究人员采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法，基于COMSOL Multiphysics软件构建数值模型。模型将地下水与循环工质流动域以等效多孔介质（Equivalent Porous Media, EPM）形式叠加表征，并耦合质量、动量与能量守恒方程，考虑温度相关的水物性、浮力效应、多孔介质阻力及惯性效应。热输运模拟涵盖传导、对流和热扩散，换热板与管壁的导热被显式表示。模型分别利用意大利巴里都市区内陆野外场址（41°5′9.73″ N, 16°47′46.96″ E）原型装置的热响应试验数据，以及实验室同轴换热器实验数据进行验证，模拟出口温度与实测值的平均绝对误差分别为0.15 K和0.31 K。

三、主要研究结果
3.1. Effects of key parameters on short-term GHE performance
该部分针对6小时短期运行工况，分析了倾斜角、换热板数量、建造材料、砾石回填粒径及初始地温等参数的影响。结果显示，增大倾斜角可扩展换热面积并促进竖向对流，当tan(α)从0.1增至1时，换热面积增加40.7%，总传热系数U亦同步上升，其中HDPE构型的U提升约24%。换热板数量翻倍可使HDPE构型的热回收速率接近铝制48板构型。砾石粒径通过改变回填层渗透率影响热诱导对流：粒径从1 mm增至3 mm时渗透率提高约一个数量级，热回收速率显著上升；继续增至7 mm收益趋缓，表明此时性能受制于换热器几何与热梯度而非回填层渗透率。初始地温从293.15 K降至291.15 K时，各构型总换热量下降约15%。

3.2. Influence of aquifer permeability
该部分在配置A（直接安装于高渗透含水层）和配置B（低渗透含水层中的饱和砾石回填开挖）下评估了最优构型AL96与AL8的性能。配置A中，裂隙密度nf对换热性能影响显著：nf从1增至7时，NGHE的热回收速率由约410.5 W显著提升，而CGHE的提升幅度较小。当等效渗透率高于10?? m2时，NGHE内部的诱导对流得到充分发挥，其热回收速率较CGHE高88.4%。各向异性比δ的增大会削弱竖向对流，NGHE对此更敏感，δ由1增至10时其热回收速率下降37.85%，而CGHE仅下降10.28%。配置B中，砾石回填层创造了受控的高渗透环境，使换热性能基本不受外围含水层特性影响，NGHE的热回收速率保持在约4041–4053 W，远高于CGHE的约1334 W。

3.3. GHE performance on intermittent operation mode
该部分模拟了6小时运行/18小时停机的间歇运行模式（如17:00–23:00供暖）。结果显示，逐日总换热量呈递减趋势，但NGHE的衰减幅度小于CGHE。在配置C（非饱和介质中防水砾石-水回填开挖）中，两种换热器的性能衰减均快于配置B，原因是含水层在停机期间通过热诱导对流更有效地补充砾石回填层的热量。

3.4. Influence of pre-Heating operation
该部分探讨了利用辅助热源（如被动式太阳能集热器）进行3小时预热（11:00–13:00）以缓解长期热耗竭的可行性。模拟表明，预热阶段砾石回填层形成热分层，停机期间底部较冷区域仍可持续从周围土壤汲取地热。经过预热后，NGHE在后续供暖运行中回收的热量可达预热注入热量的175%，有效维持了系统的长期运行稳定性。

四、讨论与结论
讨论部分指出，NGHE的性能优势源于截锥形板几何结构对换热面积和流固热耦合的双重增强。然而，其对流优势高度依赖于换热器与周围饱和介质之间的水力连通性：在低渗透含水层中，CGHE周围的开敞自由流动区可维持局部回流，而NGHE的内部通道水力阻力较大，限制了穿流；当渗透率足够高时，NGHE能更有效地驱动地下水通过各换热板表面，实现比CGHE更强的对流换热。配置B通过砾石回填营造了受控高渗透环境，使性能几乎不受场地水文地质条件影响，同时兼作排水层，具有工程实用性。实验验证仅针对配置C开展，配置A和B的结果仍属预测性质，需现场尺度进一步验证。

研究结论明确了以下要点：（1）NGHE在多种条件下优于常规同轴地下水填充式换热器，主要归因于截锥形换热板结构增大单位深度换热面积并改善了工质与地下水间的热耦合；（2）热性能受介质渗透率、换热器几何与建造材料共同控制，高渗透环境有利于充分发挥热诱导对流优势；（3）砾石回填配置（配置B）可提供稳定性能并降低对周围地层性质的敏感度，是颇具吸引力的安装方式；（4）非饱和环境中间歇运行可能出现渐进性热耗竭，太阳能辅助预热策略可有效缓解，使NGHE兼具地热换热与浅层储热功能。尽管存在长期耐久性、水文地球化学效应等方面的未决问题，本研究为紧凑型浅层地热系统及地热-太阳能混合系统的发展提供了概念验证支撑，论文发表于《Renewable Energy》。