【摘要】：地下水源熱泵是地源熱泵的一個分支，是一種新興的、可持續(xù)的淺層地溫能開發(fā)利用方式。它以地下水作為熱源，水的比熱較大，傳熱性能較好，且水溫不受四季溫度的影響，同時該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保效果明顯。因此，地下水源熱泵系統(tǒng)近些年在我國得到了十分迅猛的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。 含水層溫度場變化是決定地下水源熱泵空調(diào)機組運行功效的主要因素，復(fù)雜抽灌運行條件下，含水層熱量運移規(guī)律研究是其工程論證及可持續(xù)良好運行的前提保障。目前，國內(nèi)外已開始逐步關(guān)注此方面的研究，特別是數(shù)值計算研究發(fā)展較快。然而這些模擬研究大都集中在同井及對井抽灌系統(tǒng)，涉及到井群抽灌的研究較少，特別是抽灌井群的大規(guī)模應(yīng)用問題相對滯后。對于井群抽灌系統(tǒng)，井群附近的熱量運移和水動力循環(huán)更加活躍，含水層熱流變也更加復(fù)雜，因此需要開展更加深入的研究工作。此外，受限于地下過程實驗的困難程度和可視化問題，國內(nèi)外關(guān)于抽灌井群系統(tǒng)含水層熱量運移的現(xiàn)場及室內(nèi)模型實驗并不多見，缺乏實驗測試數(shù)據(jù)。因此，相關(guān)的實驗研究工作也亟待開展，解決數(shù)值模擬計算的過多盲目性和缺少更廣闊的驗證性。 本研究結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目，以異井回灌地下水源熱泵抽灌井群地下水運移能量傳輸及其傳熱為研究重點，通過實驗研究與模擬計算分析相結(jié)合的方法，研究各種影響因素對抽灌井群區(qū)域含水層溫度場的影響，同時對水位場和速度場進行對比分析，揭示地下水源熱泵系統(tǒng)長期運行過程中含水層熱流場的發(fā)展，演變和作用機理，拓展和完善抽灌井群地下水運移能量傳輸和傳熱控制理論，為進一步拓展應(yīng)用提供理論指導(dǎo)依據(jù)。 研究工作主要包括： 利用相似理論，建立了靜態(tài)含水層（無含水層自然橫流流動）抽灌井群砂槽滲流模擬實驗系統(tǒng)，再現(xiàn)井群抽灌含水層滲流動態(tài)和過程。實驗分別從抽灌總量變化、抽灌量分配變動性和含水層構(gòu)造形式三個影響因素入手，對不同影響因素與井群區(qū)域含水層溫度場之間的演化關(guān)系進行研究，同時對水力坡度分布和滲流速度變化進行了對比分析，并依此探求井群抽灌過程含水層熱流場的主動控制機制和模式，實現(xiàn)可控地下傳熱過程，最大限度的避免和減輕熱貫通現(xiàn)象及熱交互影響。 自然橫流流動是產(chǎn)生含水層熱量運移特征差異的主要原因，亦是熱貫通發(fā)生的關(guān)鍵。本文建立了可模擬含水層自然橫流的抽灌井群砂槽滲流模擬實驗系統(tǒng)，研究不同含水層自然橫流條件下，抽灌井群區(qū)域含水層熱流場方向變動和能量傳輸特性，并著重分析了不同流向和流速對抽水井出水溫度、含水層溫度場、水位場以及熱貫通和熱交互特性的影響，從而為地下水源熱泵抽灌井群系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。 地下水源熱泵地上熱泵空調(diào)系統(tǒng)與地下含水層間存在水流和熱量兩部分循環(huán)過程，構(gòu)成了反映滲流場和熱能勢場的兩場相互耦合問題。本文通過對抽灌井群含水層熱量運移及其主要傳熱過程進行分析，建立了基于Fluent的含水層熱流動模型，同時對算例幾何模型、邊界條件、網(wǎng)格劃分以及基本參數(shù)設(shè)置做了詳細介紹。此外，按照井群抽灌系統(tǒng)含水層熱流變實驗的條件對模型進行了驗證，包括抽水井出水溫度的驗證和井場區(qū)域含水層溫度場的驗證兩部分，綜合分析表明：該模型可以用于分析和預(yù)測實際井群抽灌系統(tǒng)中含水層溫度的變化，能夠提供較為準確的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。 在靜態(tài)含水層抽灌井群熱量運移模型的基礎(chǔ)上，對實際應(yīng)用構(gòu)造尺度下的地下水源熱泵抽灌井群系統(tǒng)進行多周期、長時間的運行模擬計算研究，以突破實驗室條件的限制。文中分別從系統(tǒng)運行模式、置井方式和抽灌溫差影響三個主要因素出發(fā)，研究不同影響因素對抽灌井群含水層溫度場的影響，并根據(jù)相應(yīng)的抽水井出水溫度、熱交互和熱貫通影響特性來評價熱泵系統(tǒng)的工作效果，同時提出合理的井群布置方案和系統(tǒng)運行模式，為完善和建立地下采能熱傳輸主動控制機制提供理論指導(dǎo)。 在自然橫流含水層抽灌井群熱量運移模型的基礎(chǔ)上，開展了抽、灌滲流與含水層自然橫流的疊加動力場的熱量傳輸規(guī)律研究，對實際應(yīng)用構(gòu)造尺度下的地下水源熱泵系統(tǒng)進行多周期、長時間的運行模擬計算分析，研究自然橫流不同流向和流速條件下含水層溫度場熱擴散促進、抑制和偏移特性，揭示地下水源熱泵系統(tǒng)長期運行過程中含水層熱流場的發(fā)展，演變和作用機理，為相關(guān)的實際工程應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TK52
【圖文】：

源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用源熱泵技術(shù)熱泵機組冬季從地下含水層中吸熱，提升品位后對建筑過回灌井回灌至地下含水層。夏季，將室內(nèi)余熱轉(zhuǎn)移到，工作原理如圖 1.2 所示。此外，由于冬季從地下含水層得含水層的溫度降低，這樣便蓄存了可供夏季使用的冷量輸送給地下含水層，蓄存了可供冬季使用的熱量。因作用，從而提高了系統(tǒng)能源利用效率。

一口井作抽、灌井兩用，其回灌段一般位于抽位于下半段[19]。該系統(tǒng)占地面積小，打井費用相對較低[20]。的地下水水量大且流動性要好，井深足夠；②抽灌管安裝在水的“熱短路”現(xiàn)象；③抽取的地下水不能回灌至原含水層水體的失衡。就我國而言，此形式的地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用井抽灌系統(tǒng)，不同的井分別負責(zé)抽水和回灌任務(wù)。為防止“和回灌井之間應(yīng)保持一定間距，且抽灌井可以定期輪換使用理論上可實現(xiàn)地下水同層等量回灌，有利于地下水的抽灌平冷兩種不同模式采用抽、灌井季節(jié)性交替的工作模式，提高于，系統(tǒng)井數(shù)較多，布井時占地面積較大，成井費用較高。水源熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的地下水抽、灌模式。本文以異為研究對象。

圖 2.1 實驗系統(tǒng)及構(gòu)造Fig. 2.1 Experiment system and structure置方式按工程置井方法制作，如圖 2.2 所示。各井均為內(nèi)管作為井壁管。整個置井包括井孔、井壁管、濾水管和沉砂的中下端部分，共計 0.2 m 長度，表面均布打孔，并纏繞過水管周圍布置礫石，防止出現(xiàn)跑砂現(xiàn)象和井壁處砂層坍塌砂層。沉砂管在塑料管的最下端部分，共計 0.1 m 長度，其細顆粒沉淀，防止濾水管淤塞。

【引證文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 朱曉林;地下?lián)Q熱器熱形變及其失效性研究[D];吉林大學(xué);2014年

本文編號：2794657