第1章 绪论
1.1 地热资源利用背景
当今世界，尽管石油、天然气、煤等化石燃料占据了社会能源消耗的主导地位，但是由于化石资源的不可再生性以及燃烧化石燃料给环境带来的污染等原因，化石燃料的高峰时代已经过去，可再生能源、清洁能源逐渐成为了人们关注的焦点。中国已确立目标[1]，到 2020 年可再生能源在总能源中的比重达要到 15%。地热能源是诸多清洁的可再生能源中的一种，它具有储量大、温度相对恒定以及受地域或气候影响小的特点，因而有着重要的开发利用价值。
世界上地热资源的大规模运用是以商业热泵的成功研发及投入使用为标志的，距今已有七十多年历史。欧美国家，地热能源的开发利用商业化已久。在奥地利，目前已有 200,000 台电动热泵用于建筑物供热与制冷[2]，每年相当于节约汽油 250,000 吨。在英国、荷兰、日本及美国等国家，利用地热源基础构件向建筑物供热与制冷的新型技术也因为建筑节能与减排的需求得到了迅速推广。
在我国，地热能源的开发利用还处于初级阶段，大部分是直接利用地下热水资源，如利用地下温泉进行医疗、洗浴等；只有少量地热被用作建筑室内供热采暖。与欧美国家相比，目前我国地热能源的利用方式效率低下，对地域也存在特殊的要求，并且由于这种地热利用方式是直接开采地下热水，必然会对地区地下水资源的含量、分布造成负面的影响，从长远角度看是不利的。本文注意到，最近几年，上海、南京等一些大型城市已经逐步出现一些利用浅层地热供暖制冷的建筑工程案例，如上海世博轴、南京朗诗国际社区[3]等，但从总体看来，我国的地热资源开发利用距离浅、中、深层结合，低、中、高温结合，梯级利用来讲还相去甚远，和国外发达国家相比，技术水平和开发程度也相差很多。
地热能指的是以热量的形式储存在地表以下的能量，它的形成原因主要有以下几个方面[4]：放射性元素衰变作用、化学反应和结晶化过程、重力作用、潮汐运动产生的摩擦热、温室效应、宇宙辐射、地球内部绝热压缩过程等。
地壳表层温度通常随地表大气温度的变化而变化。但在一定的深度范围内，其温度变化很小，这一深度范围被称为恒温层[5]。恒温层的深度因地域不同而有所区别，大致是中纬地带比赤道和两极深。在我国北方地区恒温层深度大约从 30 米开始算起[6]。在恒温层以下，地温随深度逐渐增高，其增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。所谓地热增温级是指在恒温层以下，温度每升高 1℃时所增加的深度，单位是 m/℃，例如，大庆的地热增温级为 20m/℃，北京房山为 50m/℃[7]。地热增温级的平均数值是 33m/℃。地热增温级的倒数叫地热梯度，定义为深度每增加 100m 温度的升高值，单位是℃/100m。地热梯度的平均数值是 3℃/100m。
按照地热能源品级的高低，可将地热能源分为高焓值地热和低焓值地热，两种地热能均有最佳的利用方式。
高焓值地热：载热工质为温度高于 100℃的水汽，一般可用于发电，属于间接使用能源；低焓值地热：载热工质为温度不超过 100℃的水，一般可用于建筑室内采暖，属于直接使用能源。
通俗来讲，当需要供暖的时候，热泵通过外界做功将热量从低品质的热源中提取出来并转化为高品质的热能，从而达到给建筑设施供暖的目的，反之，可达到制冷效果。
第2章 孔隙介质中传热问题的解析
解及其比较孔隙介质中的传热问题是很多研究领域中都存在的问题，如石油开采工程中利用高温水汽挤压重油的问题、核废料填埋过程中废热积累造成的土体强度下降问题以及本文所关心的地热开采利用效率问题等。这些问题由于现场试验条件复杂以及经济方面的原因，很难通过现场试验得到解决；而在不明确地质条件的情况下贸然应用数值解又存在准确性的问题，因而对工程实际问题对应的简化物理模型进行解析解的推导是一种比较合适的手段。
本章介绍了前人为解决孔隙介质对流传热问题所提出的几种解析解模型并分析了这几种模型的差异和适用条件。此外，本章还通过拉普拉斯变换与逆变换，推导了柯西边界条件下一维传热问题的解析解。通过对该解析解的参数分析，更好地认识了贝克莱数（Pe）及热扩散系数（D）如何影响孔隙介质中的传热这一过程。
第 3 章 地热交换构件的 ANSYS 数值模型及模型校核 ...................27
3.1 埋管换热器数值模型的单元校核及网格疏密对精度的影响 .........27
3.2 ANSYS 数值模型与 COMSOL 数值模型在模拟埋管换热时的差异........35
3.3 南京江宁桩基埋管实测试验及其对 ANSYS 数值模型的校核..........38
3.4 本章小结 .....................48
第 4 章 岩土热流耦合模型在埋管换热器分析中的应用 ............49
4.1 土体热物性参数对埋管换热的影响...............49
4.2 埋管间距及连接方式对换热的影响...............51
4.3 地下水渗流对埋管换热的影响 ..................57
4.4 本章小结 .....................65
第 5 章 结论与展望 ......................66
结论
浅层地热能由于其埋藏广泛、储量巨大以及清洁无污染的特性，越来越受人们的关注，利用地源热泵系统从浅层土壤中取热/放热的技术也日趋成熟。在地源热泵系统的设计中，相比地上部分较为成熟的热泵技术而言，地下部分即埋管换热器由于受影响的因素多、不确定性大等原因，更有研究价值。关于埋管换热器与土壤的热交换的研究，前人提出了诸多模型，但大部分模型由于简化假设过多因而存在较大的局限性。宗显雷曾提出利用ANSYS 线单元进行热交换模拟的数值模型并对该模型做了一定的参数分析研究。由于受限于当时的条件，该模型的准确性及精度并未得到有效验证。本文基于宗显雷提出的 ANSYS 线单元数值模型的概念，结合理论解与现场试验，证实了该模型的可靠性，并在宗显雷的基础上对该数值模型进行了一定的深化研究，提出地下水的存在可能带来的一系列问题，完善了热-流耦合分析中流场的部分。
（1）基于前人提出的解决热-流耦合问题的相关模型，本文提出了柯西边界条件下稳态达西流的传热模型，并推导了该模型的解析解。通过对该解析解的参数分析，加深了对热-流耦合问题传热机理的认识。量化了贝克莱数（Pe）及热扩散系数（D）对于传热的影响。与此同时，对比了前人提出的解析解，明确了各自适用的范围。基于解析解，对宗显雷提出的 ANSYS线性单元进行了校核，同时与 COMSOL 有限单元法得到的柯西边界传热结果进行了比照，确认了 ANSYS 线性单元 FLUID116 具有良好的替代实体单元模拟对流传热的性能。
（2）深化了 ANSYS 线性单元数值模型的研究，对模型中涉及的热传导、热对流进行了精度分析，量化了网格划分对精度的影响。同时，在相同参数下与 COMSOL 建立的实体单元钻孔埋管模型进行比较，发现 ANSYS 线性单元模型在具备良好的计算效率的同时，其计算结果的准确性并不逊于同类有限元软件。
（3）参与完成了北京平谷地热响应测试试验及南京江宁科技展览馆桩基埋管结构热响应测试。取得了土体有效热导率（约为 1.8W/m.K）、桩基埋管的出水口温度随时间的变化曲线以及桩身应变分布曲线等数据。利用ANSYS 建立了科技展览馆桩基埋管的数值模型并进行仿真，其数值解与实测结果吻合良好。
（4）利用优化网格后的 ANSYS 数值模型，对单根钻孔/桩基埋管的换热问题的影响参数作了深入研究，例如土体有效热导率的影响分析、地下水渗流/流动的影响分析等。对于多根钻孔/桩基埋管，定量研究了埋管的空间分布对换热的影响。同时，本文以地连墙埋管换热为例，利用 ANSYS 下完成了较大尺度的模型仿真，并对串联及并联情况下地连墙换热系统进行了一定分析。
参考文献:
[1] 可再生能源中长期发展规划. 中国政府. 2007.
[2] H. Brandl. Energy foundations and other thermo-active ground structures.Geotechnique, 2006. 56(2).
[3] 姜清玉. 南京住宅生态设计中的节能策略初探（硕士学位论文）. 东南大学, 2010.
[4] Sanaz Saeid. Geothermal Energy Applications. TUDelft, 2010.
[5] 常征. 土壤温度的变化特点及其规律. 油气储运, 1989 年 3 期.
[6] 宋青春, 邱维理, 张振春. 地质学基础. 高等教育出版社, 2005.
[7] 沈玲玲. 高黎贡山地区地热异常特征及对隧道建设影响的初步分析. 成都理工大学, 2007.
[8] 阚长宾. 利用废弃油井开发地热能供暖. 可再生能源, 2008 年 1 期.
[9] Geo-heat center. Direct use of Geothermal energy. Oregon, Institute of technology,DOE, 1998.
[10] MIT. The future of geothermal energy. 2006.