我国已郑重承诺力争在2030年碳达峰、2060年前实现碳中和。目前我国碳排放总量中建筑运行能耗占比已超过两成，推进建筑供能清洁低碳转型是实现双碳目标的关键。因具有稳定、储量大、分布广泛等特点，地热能利用技术在建筑供能领域受到广泛关注。中深层地埋管地热供热技术是近年于我国北方兴起并推广利用的新型建筑供热技术。该技术使用区别于传统浅层地埋管（200米以浅）的中深层地埋管换热器（一般超过2000米）提取深层地热并经热泵提升能量品位后为建筑供热。 为准确评估中深层地埋管换热器长期取热性能及耦合热泵系统供热能效，继而明晰中深层地埋管地热供热系统运行特性，本文依托理论分析、工程实测及数值模拟开展了系列工作，基于中深层地埋管取热物理过程建立了单管及管群换热计算模型，评估了系统设计参数、地热地质参数及地下水渗流对中深层地埋管换热器长期运行取热性能的影响，阐明了中深层地埋管换热器耦合热泵供热系统运行过程中动态能量分配关系，并从系统运行特性出发提出了针对性能效评估方法。本文开展的主要工作如下： 基于双连续介质有限元法依托开源数值模拟平台OpenGeoSys和Python热力学计算工具包TESPy建立了中深层地埋管换热器单管及管群换热模型，模型可充分考虑地温梯度和多层地质参数等复杂边界及地面管网拓扑结构和水力交互特性对换热性能的影响，其准确性得到了解析解及中深层地埋管供热示范工程的长期实测数据验证。 进行了中深层地埋管换热器单管取热性能分析，通过开展短期热性能测试及长期热响应分析，对埋深、管径等系统设计参数及地温梯度、热导率、地下水渗流等岩土地质参数进行了取热能力评估和取热稳定性分析，结果表明埋深及地温梯度对长期取热性能影响最为显著，地下水渗流速度低于10-7m/s时，可忽略其对长期取热的影响。 针对中深层地埋管管群供热系统，探索了不同地质参数和布置方式对管群长期取热性能和管间热交互的影响大小，结果表明管间热交互作用的存在将加剧岩土冷堆积并在管群内部产生负荷迁移现象，且管间距对中深层地埋管管群长期取热稳定性影响显著，研究给出了典型工况参数下中深层地埋管管群布置方式和管间距工程设计建议。 基于某实际建筑动态负荷，开展了中深层地埋管换热器耦合热泵供热动态运行性能分析，提出了长期运行性能评估方法并进一步探究了间歇运行模式对运行稳定性的影响。基于能量和经济性视角分析构建了中深层地埋管地热供热系统长期运行供热能效动态评估体系并开展了埋深参数优选分析。通过将碳减排效益考虑在内进行了系统净现值计算，结果表明引入碳交易制度可将典型参数下系统投资回收期缩短0.8年。 本文提出的研究方法及相关研究结果可为中深层地埋管长期取热性能和中深层地埋管地热供热系统运行特性提供理论支撑，同时可作为中深层地埋管地热供热工程推广过程中的设计参考，为地热能清洁建筑供热技术发展贡献力量，助力双碳愿景实现。 |
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