地下巖土蓄能換熱結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變過程基礎(chǔ)研究

地下巖土換熱是熱泵地能利用和巖土儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的重要組成，關(guān)系到巖土工程和熱能工程領(lǐng)域技術(shù)。其核心問題涉及長(zhǎng)期熱交換過程其結(jié)構(gòu)的熱變異問題，及其復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的傳熱傳質(zhì)和結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變，這種結(jié)構(gòu)熱變異的換熱能力衰減和失效影響長(zhǎng)期使用的可靠性和有效性成為急待解決的科學(xué)技術(shù)問題。本項(xiàng)目通過理論分析、模型構(gòu)建和計(jì)算分析,結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)手段，探究了巖土換熱結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變內(nèi)在特征的相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題，系統(tǒng)研究了換熱管體-濕性巖土-回填料組成構(gòu)造體的熱應(yīng)變和結(jié)構(gòu)變形，包括巖土多孔介質(zhì)熱脹縮性、熱濕漲凝縮、管土縫隙、凍脹熱變異、置管擠壓、形變與位移、換熱體多材質(zhì)耦合相容性等。揭示耦合結(jié)構(gòu)的熱強(qiáng)度、熱應(yīng)變、熱變形和熱裂隙等現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)特征，認(rèn)識(shí)熱濕遷移、能流強(qiáng)度和可變負(fù)荷動(dòng)態(tài)傳熱及其結(jié)構(gòu)熱變異作用機(jī)理，突破了地下?lián)Q熱器的多孔松散巖土體和換熱管固體彈塑性耦合、熱-力-結(jié)構(gòu)耦合及熱流固耦合等多層耦合問題熱應(yīng)變關(guān)聯(lián)分析難點(diǎn)?；诓牧吓c結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變，建立巖土置管結(jié)構(gòu)熱變性分析的精細(xì)模型，剖析各種傳熱及巖土構(gòu)造體的初始條件和邊界條件對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱變形影響規(guī)律，包括管土結(jié)構(gòu)熱脹縮、低溫凍脹等，界定其中巖土耦合結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變、熱變形、熱裂隙和間隙演變,以及熱濕遷移、能流變化、可變動(dòng)態(tài)負(fù)荷及其協(xié)同作用與范圍；研判巖土置管換熱系統(tǒng)失效性的存因、避減策略和理念，建立提升可靠性的熱脹縮變異抑制機(jī)制。研究成果對(duì)推動(dòng)和倡導(dǎo)地下管土熱源體熱應(yīng)變分析，構(gòu)建熱力衰減和失效控制理論，指導(dǎo)地下蓄能和熱泵地能工程應(yīng)用具有重要的引領(lǐng)帶動(dòng)作用。 2100433B

作為未來能源可持續(xù)發(fā)展重要形式的地下巖土長(zhǎng)期儲(chǔ)能，涉及復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)體傳熱傳質(zhì)和結(jié)構(gòu)熱變異，其換熱能力衰減和失效一直制約長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性。為此，提出巖土換熱結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變基礎(chǔ)研究問題，探索地下置管-巖土-回填材料組成的換熱結(jié)構(gòu)體熱應(yīng)變和變形，諸如巖土多孔介質(zhì)熱脹縮性、熱濕過程空隙氣化與凝縮、巖土板結(jié)、干裂、凍結(jié)熱隙現(xiàn)象和置管擠壓，以及地下?lián)Q熱系統(tǒng)多重材料相容性等。揭示地下耦合結(jié)構(gòu)的熱強(qiáng)度、熱應(yīng)變、熱變形和熱裂隙現(xiàn)象的本質(zhì)特征，認(rèn)識(shí)熱濕遷移、能流強(qiáng)度和可變負(fù)荷動(dòng)態(tài)傳熱及其結(jié)構(gòu)熱變異作用機(jī)理，突破熱流固耦合結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變關(guān)聯(lián)分析難點(diǎn)。依據(jù)材料與結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變特性，提出結(jié)構(gòu)熱分析精細(xì)模型，實(shí)現(xiàn)熱脹縮變異控制，提升可靠性和長(zhǎng)期應(yīng)用壽命，避免地下?lián)Q熱系統(tǒng)失效，構(gòu)建控制策略，實(shí)現(xiàn)蓄能過程優(yōu)化。該研究將拓展和完善地下巖土能源體熱應(yīng)變分析控制理論，指導(dǎo)工程應(yīng)用，推進(jìn)我國(guó)地下蓄能及地源熱泵技術(shù)的健康發(fā)展。

儲(chǔ)能技術(shù)是未來能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要組成和發(fā)展戰(zhàn)略，是實(shí)現(xiàn)能源可再生化和高效利用的一種有效途徑。能量通過短期或長(zhǎng)期蓄存，提高其綜合利用率并實(shí)現(xiàn)能源的實(shí)時(shí)補(bǔ)充。地下蓄能是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，包括能量蓄入、積累、存儲(chǔ)和釋放提取多階段時(shí)變過程，研究主要涉及各種巖土構(gòu)造下含濕非飽和、飽和、過飽和及含水層等多層各向異性的熱過程機(jī)理及各階段的時(shí)變特征和規(guī)律。研究熱濕運(yùn)動(dòng)中的熱擴(kuò)散率、能量恢復(fù)率，瞬態(tài)焓分布、能量密度、能流強(qiáng)度；探索高、低溫蓄能中溫度梯度畸變、濕分布和熱容能力變異、傳熱遲滯現(xiàn)象，以及冰晶形成、濕運(yùn)動(dòng)抑制等現(xiàn)象規(guī)律；研究蓄能周期和實(shí)效性，以及冷、熱蓄能交替過程的熱特性；研究擴(kuò)散控制及策略，實(shí)施蓄能系統(tǒng)的最佳化。該研究擬利用模型分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，通過對(duì)地下復(fù)雜蓄能傳熱機(jī)理、特性和規(guī)律的研究，以及控制策略研究，完善地下蓄能理論，推動(dòng)我國(guó)地下蓄能技術(shù)及土壤源熱泵的發(fā)展。 2100433B