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地下水渗流对地铁源热泵毛细管前端换热器传热特性的影响
| 论文题名： | 地下水渗流对地铁源热泵毛细管前端换热器传热特性的影响 |
| 关键词： | 地铁隧道;毛细管前端换热器;传热特性;地下水渗流 |
| 摘要： | 近年来，为缓解城市交通拥堵问题，地铁的建设及运行规模迅速增大。地铁运行过程中会产生大量废热。随着废热在地铁隧道内的不断累积，将导致地铁热环境恶化，严重影响地铁的安全、高效、稳定运营。基于毛细管前端换热器的地铁源热泵系统是解决上述问题的有效技术之一。现有研究对该系统的传热特性及设计方法进行了研究，但缺少关于其前端换热器在渗流作用下传热特性的研究。 本文对典型渗流工况下，隧道衬砌内毛细管换热器(CHE)的传热特性进行了研究。首先，基于示范工程，建立了相应的物理模型及数值仿真模型;其次，采用实测数据对仿真模型进行了验证，最后分析了稳态及非稳态工况下，地下水渗流对CHE传热特性的作用规律。在本研究参数设置下，得出主要结论如下: (1)渗流能够提高CHE的换热效率，效果随着渗流速度的增加而提升，当渗流速度为0～0.0001m/s时，供冷季CHE换热效率约为8.5％～31.5％,供暖季约为17.2％～74.1％。 (2)不同渗流速度下的围岩温度场分布相差较大。当渗流速度小于1×10-6m/s时，随着渗流速度的提高，CHE及地铁隧道对渗流下游的热影响范围增大。渗流会促进冷/热量向其下游活动，从而改善CHE周围的热环境，高速渗流甚至会使冷/热量进入围岩下游约70m处。 (3)渗流与CHE内流体逆向流动时，CHE换热效率更高，但其相应的围岩初始温度场变化更大。土壤孔隙率越小，围岩的复合导热系数越高，对CHE的换热效率越有利。 (4)渗流对供暖季CHE换热效率的提升相对于供冷季更为明显，但同一渗流作用下供冷季的CHE换热量要明显高于供暖季。 (5)典型日工况下，随着运行时间的增长，CHE换热效率逐渐减小。渗流作用下，CHE换热效率下降更为缓慢。系统开启8h内，有无渗流作用的围岩温度场的差异较小，系统开启12h后，围岩温度场差异逐渐显著。 (6)在运行初期，间歇运行可显著提高CHE换热效率，提高幅度对无渗流工况更大。 基于渗流对地铁隧道衬砌换热器性能的提升作用，建议考虑在渗流相对明显的地铁隧道段布置CHE。但同时应充分考虑地铁隧道及CHE的热影响范围扩大，对围岩造成的不利影响。 |
| 作者： | 綦浩宇 |
| 专业： | 土木水利 |
| 导师： | 季永明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 青岛理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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