【摘要】：地能是一種清潔的可再生能源,是國家節(jié)能減排計(jì)劃中的多種新型能源之一。地能利用主要包括地下土壤源和地下水源兩種形式。前者依托地下巖土能量體進(jìn)行能量儲存和交換,對地下水源和含水層結(jié)構(gòu)影響較小,但是它受到能源密度低、能量傳輸慢、工程造價(jià)高等制約。后者依托含水層能量體,對地下水進(jìn)行抽灌循環(huán)利用,盡管它的能源利用密度大,能量輸運(yùn)快,工程成本較低,但是它存在危害地下水資源的危險(xiǎn)。目前,國內(nèi)外對地下土壤源熱泵的研究和開發(fā)利用已達(dá)到較為成熟的水平,研究的焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向地下水源熱泵的科學(xué)利用。 地下水源熱泵系統(tǒng)涉及抽灌井群復(fù)雜多變的流動、傳熱和傳質(zhì)問題,其井群布控、熱交互性、熱流場演變控制等諸多問題一直困擾著地下含水層蓄能和熱泵應(yīng)用的科學(xué)發(fā)展,因此基于大規(guī)模應(yīng)用的井群抽灌過程的能量傳輸和熱流場協(xié)同控制是一項(xiàng)急待解決的科學(xué)問題。 本課題擬著重對抽灌井群熱交互性及其布控特性等問題開展研究。通過理論分析,模型建立,模擬計(jì)算,結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)行過程機(jī)理研究、性能分析、可變性預(yù)測、控制策略制定及設(shè)計(jì)評價(jià)等工作,提高對地下傳熱過程認(rèn)知能力,指導(dǎo)工程實(shí)踐,拓展相應(yīng)的基本理論。 本文先從地下水動力學(xué)角度,結(jié)合傳熱學(xué),對地下水滲流、地下水向承壓水完整井的穩(wěn)定運(yùn)動、地下巖土多孔介質(zhì)的熱量運(yùn)移等進(jìn)行理論和機(jī)理分析,為進(jìn)一步模型分析奠定理論基礎(chǔ)。主要內(nèi)容有三部分,以抽灌井群的熱交互性為研究重點(diǎn),以熱貫通為主線,以既定地下含水層物性參數(shù)、布井域大小及抽灌量為前提進(jìn)行研究。其中第一、二部分的研究均基于單一供暖并且抽灌系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的模式；第三部分基于供熱供冷聯(lián)合間歇運(yùn)行的模式。 其一,主要分析抽灌井群布置位置、同類井(抽水井)間距的不同形式對抽灌溫度、熱貫通等熱交互性參數(shù)的影響,探究布井模式的熱交互性及布控特性,以期指導(dǎo)地下水源熱泵工程中抽灌井的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在分析井群布置方式的影響時(shí),提出了四種不同的形式。研究表明,在一個(gè)計(jì)算周期(一年)內(nèi),直列式的井群抽水平均溫度的總體降幅約為環(huán)布式的50%,而發(fā)生不同程度熱貫通的時(shí)間約為環(huán)布式的2倍。很顯然在井群平均抽水溫度和抽灌系統(tǒng)發(fā)生不同程度熱貫通時(shí)間長短兩方面,直列式均優(yōu)于環(huán)布式。 對同類井(抽水井)間距的不同形式分析發(fā)現(xiàn),在上述兩項(xiàng)熱交互性參數(shù)方面,增大中間兩口井間距模式最優(yōu),等間距模式次之,縮小中間兩口井間距模式最差,但三者的差別不明顯。 其二,研究地下水橫流不同流向(無橫流、順流、逆流、交叉流)對熱交互性的影響作用；此外還對逆流的流速控制特性及順流的蓄能作用作了一定的分析。這些問題的研究對地下水源熱泵系統(tǒng)的選址及安裝調(diào)試都有一定的指導(dǎo)作用。 研究發(fā)現(xiàn),逆流模式的井群抽水平均溫度處于最高水平。就總體溫度降幅來說,逆流模式約為順流模式的37%,約為交叉流模式和無橫流模式的62%.在熱貫通方面,逆流模式最不容易發(fā)生熱貫通,其發(fā)生不同程度熱貫通時(shí)間約為順流模式的1.5倍,約為無橫流和交叉流模式的1.2倍。 此外,逆流模式下,流速越大,抽灌系統(tǒng)越不容易發(fā)生熱貫通。當(dāng)逆流流速大于某一臨界值時(shí),抽灌系統(tǒng)將永不發(fā)生熱貫通。本文定義此流速為逆流不貫通臨界速度。 對順流蓄能作用分析表明,在供熱期,地下水的順流發(fā)揮“蓄熱”作用；而在供冷期,又發(fā)揮“蓄冷”的作用。這種蓄能作用對熱泵效率的發(fā)揮是有利的。 其三,采用貼近工程實(shí)際的供熱供冷聯(lián)合長期運(yùn)行工況,探究不同年運(yùn)行模式和日運(yùn)行模式下抽灌溫度變化趨勢及熱擴(kuò)散影響范圍的差異。這對實(shí)際工程中長期運(yùn)行的地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式的選用和調(diào)整有指導(dǎo)價(jià)值。 分析表明,年運(yùn)行模式以一年一倒井聯(lián)合運(yùn)行模式為最佳；日運(yùn)行模式,從熱泵熱效率角度來看,運(yùn)停時(shí)間間隔短的模式最優(yōu)；而從對地下熱環(huán)境的影響角度來看,運(yùn)行周期長的情況下,運(yùn)停時(shí)間間隔長的模式較優(yōu)。這樣在實(shí)際工程應(yīng)用中就需要一個(gè)效益和地下熱環(huán)境保護(hù)的權(quán)衡。 研究工作基于CFD平臺,在Fluent軟件現(xiàn)有模塊上輔助以UDF運(yùn)用,建立簡化的二維數(shù)值模型對以上問題進(jìn)行模擬分析。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK523
【圖文】：

第一章緒論景及意義臨的最大挑戰(zhàn)就是能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)和緊迫任務(wù)。在能源開發(fā)及利用領(lǐng)域，適應(yīng)可適要求的前提下，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利減少常規(guī)能源消耗，顯得尤為迫切和重要。適換效率最高的熱泵應(yīng)用技術(shù)，正受到人們的日熱泵(見圖1.1所示)及太陽能空調(diào)等系列的

二、達(dá)西定律1856年，法國水力工程師亨利·達(dá)西通過如圖2.1所示裝置試驗(yàn)得到。不不 不 ...奮二 二……’，.。 。腳腳J知 知{{{:-:決 :::……… …...’:成， ... ....-二 二....… ...……。。.滬 滬Q*!圖2.1達(dá)西試驗(yàn)裝置試驗(yàn)將均質(zhì)砂土裝到直圓筒內(nèi)，在一維流條件下，經(jīng)過不同流量穩(wěn)定流多次試驗(yàn)，得出關(guān)系式:H一H，=入口--二----‘L······························…… (2.2)式中:Q為流量，單位m丫d;K為均質(zhì)砂的滲透系數(shù)，單位m/d;田為筒的橫截面積或者滲流過水?dāng)嗝婷娣e，單位mZ;拭、從為在滲流運(yùn)動方向上相離為L的過水HI一HZ斷面1和2處的滲流水頭值(m);L為兩過水?dāng)嗝嬷g水力坡度

根據(jù)所揭露含水層深度和進(jìn)水條件，都可分為完整井、不完整井兩類。如果水井貫穿整個(gè)含水層，在全部的含水層厚度上都安裝了過濾器，并能全面進(jìn)水的稱為完整井(圖2.2a中的a和圖2.2b中的b)。如果水井為貫穿整個(gè)含水層，水井未貫穿整個(gè)含水層，只有井底及含水層部分厚度上能進(jìn)水，則稱為不完整井，如圖2.2中的b、c、d等1281。本文的研究對象為承壓水完整井。(a)潛水井(b)承壓水井圖2.2完整井和不完整井從井中抽水，井周圍的水流入井內(nèi)，井中及井附近的水頭降低。設(shè)其一點(diǎn)(x，y)的初始水頭為月H。(x，y，0)，抽水t時(shí)間后水頭為H(x

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本文編號：2770820