废弃矿井热能存储系统热流固耦合机制与敏感性分析

摘要

我国拥有丰富的废弃矿井资源，通过充分利用废弃矿井闲置的地下空间和地热资源，可以将其改造为高效的废弃矿井热能存储系统.合理利用深部废弃矿井的地热环境，实现夏季富余风能、太阳能及工业余热的热水存储，并在冬季提取热量用于供暖服务，从而实现能源消耗的显著节约与利用效率的提升.本文以多孔介质弹性力学理论为基础，构建了考虑水流与围岩的热传导与热对流效应、忽略岩石中的渗流传热作用的废弃矿井储热系统多物理场耦合力学模型.通过数值模拟分析了废弃矿井储热系统运行10年内的热传递过程与巷道围岩应力变化规律.结果表明，废弃矿井储热系统能充分利用地热环境实现热能的高效存储，第1年存余温度能达到35.5℃，留存率44.4%，热存储效果逐年提高.第10年的供暖温度对比第1年提高了10.3℃，整个冬季供暖期的产出温度仅有6～7℃波动.当废弃矿井热能存储系统稳定后，产出温度能达到52～58℃.废弃矿井热能存储系统热回收效率两年内提升了10%，并在第10年达到55%.应力分析结果进一步表明，热能存储系统的应用不会破坏巷道稳定，确保了废弃矿井储热系统运行的可行性和安全性.采用基于距离的广义敏感性分析方法，通过计算随机样本差距，对模型的响应进行分类，然后对废弃矿井热能存储系统参数敏感性进行量化分析.敏感性分析结果显示，夏季注入温度对系统热回收效率影响最显著，其次是巷道温度和注入率.研究成果对废弃矿井储热系统的现场试验和规模化工程应用提供了重要的理论支撑和指导意义.

关键词

废弃矿井热能存储 / 热流固耦合 / 季节性供暖 / 敏感性分析 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金资助项目（52311530070,52278326,52004015）; 北京市自然科学基金资助项目（JQ21028,2244099）; 博士后创新人才支持计划（BX2021033）; 中国博士后科学基金资助项目（2021M700389,2023T0025）