基于多孔介质传热、传质控制方程与线热源理论,以耦合抽-灌井式埋管换热系统为研究对象,建立埋地换热器及咸水层水-热-盐运移耦合数学模型。选用有限元计算软件FEFLOW6.1针对不同运行模式下咸水层温度场演变规律与传热过程开展模拟研究。计算结果得到,单独使用埋管换热系统,运行8年后观测井2所在咸水层温度上升1.4℃;采用耦合式系统,相同观测点未出现升温趋势,有效避免“热堆积”发生。在抽-灌水量不变条件下,采用去离子水回灌时观测井1所在中粉砂咸水层达西流速高于原水回灌工况54%。研究表明,回灌溶液盐度降低是诱导地下水渗流速度上升,对流换热与热弥散效应增强的主要作用机制。

针对钻孔间距对埋管区域土壤热堆积特性影响的研究,建立了竖直双U地下埋管换热器内热源模型,将数值模拟温度与土壤实时监测温度对比进行模型验证,二者误差仅为3%.计算分析了4.8-10.4m共8种钻孔间距下的土壤温度分布,结果表明：钻孔间距越大,土壤热堆积程度越轻,井间热越小;当钻孔间距8.8m,增大管间距对热堆积特性的程度,钻孔间距在4.8-8.8m和8.8-10.4m内,增加单位长度管间距时土壤温升降低分别为1.41℃/m和0.57℃/m,钻孔间距增大导致埋管区域向井群外土壤的热,的土壤温度降低,但各间距下热作用半径基16m内.

以多孔介质传热、传质理论以及有限长移动线热源模型为基础,建立了地埋管换热器井孔内、外传热数学模型。基于抽、回灌井不同运行时长,对耦合式土壤源热泵系统的全年运行过程进行了数值模拟。通过模拟计算,抽、回灌井运行24h比抽、回灌井运行8,16h地埋管单位井深换热量分别增加了32.7%,9.2%,对应能效系数提高了34.4%,11.2%,然而此时耗电量却增加了200%,50%。研究表明,抽、回灌井运行时间越长,地埋管单位井深换热量越高,系统的运行能耗持续增加。因此针对所建耦合式土壤源热泵系统,通过采取抽、回灌井开启10~14h的运行模式,能够有效地降低系统的运行能耗,进而使该耦合式系统得到合理的应用。