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摘要
深部矿井蕴藏着大量地热资源，功能性充填体技术将深部采矿和深部地热开采相结合，实现矿产和地热资源开发共赢，是延长深部矿山寿命的重要举措.本文在分析了国内外充填矿井通过埋管提取地热资源现状基础上，提出了一种水平方螺旋形埋管充填体换热器(Square-spiral-type backfill heat exchangers,S-S BHE).考虑到地下水渗流对矿井埋管充填体换热器(Backfill heat exchangers,BHE)取热影响显著但前期研究相对不足，利用COMSOL软件建立了三维非稳态BHE热渗耦合模型并验证了其可靠性.在此基础上，建立了埋管充填体换热器耦合热泵(Backfill heat exchangers coupled heat pump,BHECHP)数学模型及四个综合评价指标.首先，在相同几何条件和物理条件下，对比分析了S-S BHE与两种典型蛇形BHE的性能，结果表明：S-S BHE的综合评价指标均优于蛇形BHE，且在较高渗流条件下优势更加显著.其次，研究了管内流速、管间距、渗流速度和入口水温对S-S BHE及其耦合热泵特性的影响规律，研究发现：管内流速和渗流速度对综合评价指标的影响最为显著，管内流速越高，单位管长平均换热功率越高，但制热季节能效明显降低.分析认为管内流速存在0.4～0.6 m·s-1的最优区间，此时管内循环水流动处于从过渡区向旺盛湍流转变.渗流速度在小于10–6 m·s-1时的影响可以忽略不计，在10–6～10–5 m·s-1的常见渗流范围内，综合评价指标均呈线性递增的趋势.最后，对方螺旋形埋管充填体换热器耦合热泵(Square-spiral-type backfill heat exchangers coupled heat pump,S-S BHECHP)进行了生态评价.通过与传统供暖方式对比发现：采用S-S BHECHP的供暖方式具有显著的节能降碳效果，一次能源消费和碳排放量比蓄热式电锅炉、燃煤锅炉和空气源热泵相应降低了83.39%、61.57%和56.84%.本研究结果展示了方螺旋形BHE和BHECHP的优良性能，为蓄热储能式功能性充填在深部矿井的应用与探索提供了理论指导.
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