能源问题是当今国际社会普遍关注的一个问题,如何解决该问题已经成为当今社会发展的重要难题。目前具有开发潜力的新能源有太阳能、地热能、风能、海洋能、核能等,地源热泵技术因节能、环保成为了解决该问题的一个有效途径。辽宁省大石桥市政府出于对环境污染治理和经济可持续发展的理念,提出对当地的能源结构进行调整,大力支持和鼓励在当地采用地源热泵技术,为此政府迫切需要了解大石桥地区浅层地温资源潜力,并对当地地埋管地源热泵如何开发应用进行规划设计。本课题研究以大石桥市公安局新建办公楼为研究对象,通过对热响应试验、换热器和回填材料开展相关研究,达到为当地地埋管地源热泵工程的设计提供参考,为提高地埋管地源热泵的换热效率提供理论依据,以便为同类地埋管地源热泵工程的设计提供理论指导。具体研究内容如下:(1)大石桥地区浅层地温资源潜力研究本文通过对当地浅层地温有关参数测定,计算浅层地温容量QR=591.84×1012KJ/℃,所含的热量相当于2020万吨标准煤所具有的热值,能够为该地的能源结构调整提供物质条件基础。同时通过对浅层地温能资源潜力评价对该区域内进行潜力分区,绘制潜力分区图,大石桥市公安局新建办公楼在高潜力区,场区内浅层地温能热容量能够满足采暖所需要热负荷1278kw和制冷需要冷负荷1052kw。(2)岩土热响应试验本次测试是基于无限长线热源模型结合最小二乘法对大石桥项目进行岩土热响应试验,通过试验得出了该项目的土壤热物性,岩土的原始温度T0=12.3℃、岩土的导热系数λ=2.17w/(m·℃)、热扩散系数 a=1.065×10-6(m2/s)、比热容 C=1.915×106J/(m3.k)。(3)回填材料室内配制试验本文将考虑各相关研究结果的基础上,在考虑水灰比和砂灰比的基础上,选用废钢渣代替部分石英砂、石墨、减水剂,膨胀剂作为高性能回填材料的添加剂,通过对导热性能、流动性、抗压强度等相关性能指标的测试,选出合理的最优添加剂添加量;同时得到较为经济实用且具有良好性能的回填材料,即回填材料在废钢渣替砂率15%,水灰比0.55、砂灰比2、膨胀剂添加量6%、减水剂添加量1%、石墨的添加量8%时回填材料的综合性能最好。该配比下回填材料导热系数为2.55W/(m k),流动度为264.3mm,膨胀性为0.05%,压强强度为31.56MPa。(4)回填材料热物性对地埋管换热性能影响研究根据构建的几何模型,建立了数学模型。利用CFD数值模拟对地埋管传热过程进行研究,从理论上研究回填材料对地埋管换热器的传热影响,通过地埋管管壁温度的变化、传热作用半径、竖井热阻来说明不同导热系数的回填材料对地埋管换热器的换热性能的影响。同时对几种不同地质下地埋管地源热泵系统回填材料的选择对地埋管换热器的换热性能的影响进行研究。根据场区岩土导热系数为2.17W/(m·K),在综合考虑相关性能后得出在回填材料的导热系数为2.55W/(m·K)是最经济可行的。(5)地埋管换热器的设计依据热响应试验与回填材料室内试验的数据对大石桥市公安局新建办公楼地埋管换热器进行了设计,分别计算系统侧水流量、地埋管的水流量、地埋管的热阻、地埋管换热器的长度,竖井的个数、地埋管换热器的换热功率。利用石桥市公安局新建办公楼地埋管换热器实测数据,对《辽宁省地源热泵系统工程技术规程》给定的地埋管换热器长度计算公式进行修正,提出地埋管换热器长度改进计算公式。(6)地埋管地源热泵土壤热平衡研究建立了大石桥市公安局新建办公楼地埋管地源热泵系统数学模型,概化4 X 4竖井群的U型地埋管换热器与其周围土壤的传热模型模拟了系统冬夏两季的不同工况下换热器周围土壤温度变化;分别模拟了一个水文年年内土壤温度变化和系统运行10年期间土壤的温度变化趋势,进而评价大石桥市公安局新建办公楼场区土壤的热平衡状况,一年内两种工况的共同作用下可以使得土壤基本保持热平衡。运行10年后竖井群土壤温度的变化,得出系统土壤温度下降了 1.2℃,岩土原始温度为11.1℃,在该温度下仍能保证设计9℃的水温。表明大石桥市公安局新建办公楼地埋管地源热泵系统的设计可以保证该项目的可靠运行。