【摘要】：能源、信息與材料是現(xiàn)代人類文明的三個基石。隨著化石能源儲量減少、價格上升以及使用過程中帶來的環(huán)境污染等一系列問題的凸顯,開發(fā)新的綠色能源逐漸成為我國面臨的一項緊迫任務(wù)。淺層地?zé)崮苁且环N近年來蓬勃發(fā)展的一種新型綠色能源,是指地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般指200m埋深),在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下可以開發(fā)利用的地?zé)崮苜Y源,其能量主要來源于太陽輻射與地球內(nèi)部。水源型淺層地?zé)崮苁侵敢院畬幼鳛槟芰縼碓吹臏\層地?zé)崮?通常采用熱泵機組提取含水層中的熱量或冷量。熱泵機組的工作流程可以概括為三個階段:第一是能量采集階段,通過水泵抽取地下含水層中的水,由于水的對流作用,在抽水同時也采集了的能量;第二是能量提升階段,通過熱泵機組的制冷劑循環(huán),消耗部分電能等高品位能源,把采集的能量供給冷媒,水的溫度提升到可以使用的溫度;第三是能量利用階段,通過散熱器等末端裝置輸送給用戶。水源型淺層地?zé)崮茏鳛橐环N新能源,具有效率較高、節(jié)約能源、環(huán)境友好、運行穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)效益顯著的優(yōu)勢,因此成為國家推廣使用的一種重要能源。其主要技術(shù)是水源熱泵系統(tǒng),地下抽灌井的設(shè)計是其關(guān)鍵所在。由于在理論模型研究、工程設(shè)計、管理運營、優(yōu)化和控制等方面尚存在諸多問題,致使水源型淺層地?zé)崮艿氖褂檬艿胶艽笙拗�。本文在國�?nèi)外現(xiàn)有理論成果和工程實例基礎(chǔ)上,對水源型淺層地?zé)崮懿杉乃?熱耦合模擬理論與應(yīng)用中一些關(guān)鍵問題進(jìn)一步展開了深入研究。具體的研究內(nèi)容和取得的創(chuàng)新成果如下:(1)采用解析法求得典型含水層物理場的精確解,為數(shù)值模擬及應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。其中物理場包括場地含水層的滲流場和溫度場,在滲流場方面得到了單井、對井、群井、多個回灌井的解析解;在溫度場方面得到了大地?zé)崃髅芏�、恒溫邊界含水層、對流邊界條件含水層溫度函數(shù)的解析解,這些研究成果為進(jìn)一步解決相關(guān)的復(fù)雜問題、開發(fā)相關(guān)軟件奠定了理論基礎(chǔ)。(2)在場地含水層數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)方面,完成了水一熱耦合模擬的有限單元方法理論推導(dǎo)。這些工作包括基于變分原理把水頭函數(shù)和溫度函數(shù)的二階偏微分方程化為一階常微分方程組,從而使求解難度大大降低,然后采用有限差分法即可得到原問題的數(shù)值解。(3)提出了有限單元和熱泵機組制冷循環(huán)相結(jié)合方法,數(shù)值模擬水源型淺層地?zé)崮懿杉瘓龅睾畬?熱泵機組的能量采集與交換過程。運用逆卡諾循環(huán)原理對制冷(熱)過程進(jìn)行研究,為分析含水層的不同參數(shù)狀況下水源熱泵機組的出力和工作效率奠定了基礎(chǔ)。對比了冬夏兩季使用和單季使用兩種不同工況下抽水溫度的差別,計算了對井系統(tǒng)單季運行時采能衰減系數(shù),采用季節(jié)儲能率分析了冬夏兩季使用時的儲能狀況,為高效利用地?zé)崮芴峁┝酥匾罁?jù)。這些工作也為采用系統(tǒng)科學(xué)原理研究地源熱泵提供了重要參考,為水源熱泵高效運行奠定了一定基礎(chǔ)。(4)利用含水層物理場的解析解,擬定不同情景求得了具體數(shù)值,并繪制了水頭和溫度函數(shù)隨時間和其它參數(shù)變化的曲線圖,為深入研究溫度場和水動力場的時間-空間變化規(guī)律提供了重要依據(jù)。在具體算例中詳細(xì)分析了與采能場地相關(guān)參數(shù)變化的原因、趨勢、特點等情況。(5)采用水-熱耦合數(shù)值模擬方法分析研究了對井地?zé)崮懿杉到y(tǒng)特點和采能場地的關(guān)鍵參數(shù)。具體內(nèi)容包括:采用數(shù)值模擬方法分析了不同情景對井含水層流場和溫度場的特點,抽灌井不同流量和抽灌溫度時物理場的分布及變化規(guī)律,不同抽灌井距離對含水層水頭和溫度分布的影響。(6)采用數(shù)值模擬方法對河北省正定淺層地?zé)崮懿杉瘜嶒瀳鲞M(jìn)行了研究。具體研究工作包括:①分析場地的基本狀況、自然地理概況、水文地質(zhì)條件、概化研究區(qū)域的水文地質(zhì)概念模型;②建立研究區(qū)的水-熱耦合模擬的數(shù)學(xué)模型和幾何模型;③進(jìn)行模型識別、確定含水層水文地質(zhì)和熱物性參數(shù);④采能場地含水層物理場預(yù)測方案設(shè)計、采集場地滲流場和溫度場預(yù)測與評價等重要工作。具體的數(shù)值模擬工作包括,根據(jù)觀測數(shù)據(jù)、相關(guān)資料以及實際運行工況,采用FEFLOW軟件模擬了冬季采暖時抽灌井含水層的水動力場和溫度場,繪制了大量相關(guān)圖形。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在現(xiàn)有條件下該工程運行狀況良好,節(jié)能效益顯著。(7)采用復(fù)變函數(shù)和地下水動力學(xué)理論推導(dǎo)出單井、群井、對井等采能方式的水頭表達(dá)式,得到了對井抽灌時抽灌流量與距井長度和過水?dāng)嗝娴年P(guān)系,并得到了一系列重要結(jié)論,這些工作為對井含水層的數(shù)值模擬提供了有力的理論依據(jù)。推導(dǎo)了多個回灌井水源熱泵系統(tǒng)的水頭函數(shù)解析表達(dá)式,為解決回灌困難問題奠定了理論基礎(chǔ)。(8)建立了三種典型淺層地?zé)崮懿杉瘓龅販囟葓龅乃牡刭|(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型,分別采用分離變量法、積分變換方法、二階常微分方程解法求得了解析解,這些工作對于深化理解淺層地?zé)崮芸臻g分布特點和時間演化情況具有重要作用,也為進(jìn)一步的理論研究提供了材料,奠定了從一維模型到高維模型建模的基礎(chǔ),這些創(chuàng)新成果也為驗證淺層地?zé)崮軘?shù)值模擬結(jié)果提供了有力的理論工具。(9)采用水-熱耦合方法建立了淺層地?zé)崮懿杉瘓龅睾畬拥臄?shù)學(xué)模型,在有關(guān)水頭偏微分方程中考慮由于溫度變化引起的水頭變化,在有關(guān)溫度函數(shù)的偏微分方程中考慮由于流量變化引起的溫度變化,這樣把水頭和溫度二者耦合起來求解,實現(xiàn)了水頭和溫度之間的雙向耦合。這種方法比僅考慮水流對溫度作用的單向耦合大幅度減小了誤差,使模擬結(jié)果更真實地反映含水層物理場的客觀情況。(10)采用模擬方法分析了對井含水層流場和溫度場的特點,從理論上研究溫度對水頭產(chǎn)生的影響,而這也是通常忽視的地方。采用冬夏互補季節(jié)儲能率概念,得出冬夏熱平衡是含水層長期穩(wěn)定運行的必要條件。提出了單季采能衰減系數(shù)的概念,為定量分析熱泵系統(tǒng)單季運行時的采能狀況提供了科學(xué)依據(jù)。研究了抽灌井不同流量和抽灌溫度時物理場的分布及變化規(guī)律,模擬結(jié)果表明抽灌流量增加到一定值后,出現(xiàn)抽水溫度變化趨勢完全相反情況。這些研究成果為提高熱泵機組的工作效率提供了有效地解決方案。模擬了“小流量大溫差”的使用情況,模擬結(jié)果顯示:在提取同等熱量情況下,加大抽灌溫差輸出功率也會相應(yīng)增加,但會明顯降低機組的COP值,同時會減少水泵的能耗,這些結(jié)果給系統(tǒng)分析能量采集提供了科學(xué)依據(jù)。通過研究不同抽灌距離對含水層水頭和溫度分布的影響,采用熱力學(xué)原理分析關(guān)鍵參數(shù)對熱泵機組換熱效率的影響,給科學(xué)高效利用能源打下堅實基礎(chǔ)。
【圖文】：

種新型先進(jìn)地源換熱系統(tǒng)。逡逑地源熱泵系統(tǒng)主要由地?zé)崮懿杉O(shè)施、地面熱泵空調(diào)機組、建筑物末端裝置、逡逑自動控制裝置等四部分組成（圖１．１）。地?zé)崮懿杉O(shè)施包括抽水井、回灌井、含逡逑水層等，它的作用是采集場地含水層屮的熱量和存儲用戶通過熱泵機組釋放的熱逡逑量｜１］。如果水源熱泵不能滿足用戶需求，則需要增加鍋爐、電熱器、電廠余熱等冷逡逑熱源輔助設(shè)備。熱泵機組主要由冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機和膨脹閥幾部分組成，逡逑用戶末端裝ｔ則包括風(fēng)機盤管、熱水器等設(shè)備。自動控制裝置通過傳感器獲取有逡逑關(guān)水源熱泵、熱泵機組、用戶側(cè)、氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)，通過控制整個系統(tǒng)滿足用戶逡逑５逡逑

對能量的需要。室外氣象模型是熱泵機組輸出能量和用戶得失能量多少的重要依逡逑據(jù)。逡逑地源熱泵包括水源熱泵和土壤源熱泵兩種基本形式，如圖１．２所示。水源熱泵逡逑是以水或添加防凍劑的水溶液為低溫?zé)嵩吹臒崂�。水源熱泵的地下水溫度在逡逑１０？２�?#176;Ｃ，冬季高于室外溫度而夏季低于室外溫度。土壤源熱泵是傳熱介質(zhì)通過豎逡逑直或水平地埋管換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換器的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，又稱地埋管換逡逑熱系統(tǒng)。逡逑３邐７逡逑１——逡逑■邋■邋——邋邐邐邋＿逡逑１邐１邋＾邐｜邋Ｌ逡逑Ｉ邋｜邋Ｉ邋Ｉ邋１邐「Ｉ邋丨卜１丨｜３邋］逡逑５邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋｜邐６邐Ｉ邋＾邋ｊ邋Ｉ邐ｎ逡逑一邋Ｉ丨一」丨邐卜Ｉ邋Ｉ邋Ｕ邋＾—－逡逑—ｒ——。ｉ逡逑邐邋°邋Ｉ逡逑N邐邐逡逑水源熱泵邐土壤源熱泵逡逑１－含水層抽水區(qū)，２－潛水泵，３－水源熱泵抽水宵，４－Q嫻嗨�，�(dān)樗叮嗨�，ＡP樗�，８－Q嬎義象猓梗竦兀媯婊蝗繞鰨保埃叵律先潰保保盍襄義賢跡保駁卦慈缺米槌墑疽饌煎義希疲椋紓澹保插澹茫錚恚穡錚螅椋簦椋錚鑠澹錚駑澹瑁澹幔翦澹螅錚酰潁悖邋澹幔睿溴澹瑁澹幔翦澹螅椋睿脲義系卦慈缺玫娜仍床嗍導(dǎo)士梢鑰醋魘且桓齟⒛萇璞�，冬检o膳┤仁蓖ü潿沖義纖誹崛『闃寫⒋嫻娜攘拷肴缺沒�，，经过机讬半y顧踝饔美刺嶸斟義系娜攘浚顧躉顧鹺蠼肜淠骼淠禾�，染忬再暑^懦鋈攘�，由記]у義喜嗄┒俗爸冒鹽盞睦淙此械娜攘克腿胝舴⑵

本文編號：2660720