建筑能耗及温室气体排放问题已成为全球亟待攻克的重大挑战。为加速实现碳达峰与碳中和战略目标,推动可再生能源的高效利用成为关键路径。地热能源凭借其储量丰沛、清洁稳定的核心优势,在低碳建筑领域展现出广阔应用前景。中深层地热资源因其取热性能稳定、热量较高等特质,逐渐受到关注。由于中深层同轴套管换热器具有占地面积小、换热效率高等特点,在无干扰型换热技术中备受关注。但在长期的取热过程中,会出现土壤热衰减现象,严重时会影响系统运行。根据建筑供暖的特点,利用太阳能的季节性储热特性平衡土壤温度波动,既改善土壤热恢复能力,又显著提升冬季供热系统的运行效能。本文将光热与中深层地热进行动态耦合,实现“夏储冬用”的联合运行模式。建立准确的传热模型,对其传热过程进行深入的分析,实现中深层地热能高效利用率、安全可持续开发。 针对现有数值模型和解析模型的局限性,提出了一种新型的中深层同轴套管换热器传热半解析模型。该模型钻孔内运用数值模型,钻孔外运用解析模型。其中,在钻孔内,考虑流体与钻孔壁传热及流体温度纵向变化,建立准三维动态模型,采用有限体积法进行数值求解;钻孔外,考虑温度梯度和地埋管尺寸影响,得到有限空心圆柱面源解析模型,并提出离散变量求和的快速计算方法提高计算速度,并与无限积分形式进行对比,最大误差为2.5%,证明快速计算的准确性。进一步,通过钻孔壁处热流量将钻孔内数值模型与钻孔外解析模型进行耦合,构建该半解析模型。经青岛市某实际项目测试数据对比,模拟结果与实测数据趋势一致,相对误差在10%以内。 基于半解析模型,采用变热流方法系统研究了中深层同轴套管换热器在地温梯度,土壤导热系数和流量影响因素下的短期换热性能,以及该换热器长期运行的可行性和稳定性。采用MATLAB进行计算,结合供暖季建筑动态热负荷进行模拟。研究结果显示,进出口水温与热负荷呈现出显著的同步变化特征。在钻孔内部,温度分布以钻孔底部为最高值。此外,研究还揭示了两种现象:一是环管与土壤之间在浅层区域存在流体逆向传热现象,此时热流量为正值;二是在深层区域,由于循环流体与土壤之间的温差突然增大,热流量会出现突然增大的情况。进一步,影响因素研究表明,地温梯度、土壤导热系数和流体流量对系统换热效率和热损率有显著影响,揭示了地质选择的重要性,以及各个因素对系统换热效率和运行稳定性的影响。并为防止内外管流体之间的热短路现象,可对内管浅层区域做保温处理。长期运行模拟显示,经过15年连续运行,进出口最低水温年均降幅收窄并趋于稳定,深层区域同一位置处土壤温度逐渐降低,热影响半径随时间呈非线性增大,由第1年的32m增大至第15年的85m。因此,系统具备长期运行可行性,但需关注浅层热积累与深层土壤热衰减问题。 针对中深层同轴套管换热器长期运行导致的土壤热衰减问题,提出了一种光热与地热耦合的跨季节储热系统。该系统整合太阳能集热与地热储热技术,实现夏季储热冬季取热的能源互补模式。在非供暖季将太阳能储存在土壤中,建立光热和地热的耦合模型进行模拟分析,通过一个非供暖季储热模拟,储热对土壤温度恢复效果显著,主要储热径向影响范围为0到10m。15年长期跨季节储热模拟研究表明,与无太阳能跨季节储热相比,地热井进口水温下降幅度明显减小,可减小1.765℃。表明非供暖季的热能存储显著改善了土壤的热衰减。