地下含水层蓄能特性模拟实验研究

发布时间：2020-05-12 11:34

【摘要】：加强可再生能源的研究与利用是我国优化能源结构和改善环境的重要手段，地能作为清洁能源，同时具有可再生性，在我国节能减排的要求下，具有广阔的发展空间。在已有的条件下，地能利用主要有土壤源热泵和水源热泵两种形式。土壤源热泵的能量主要来源于地下岩土层，通过介质和岩土层换热获取能量，能量取用过程中仅通过换热完成，优点是对含水层环境影响较小，但是这种方式获取能量能源密度比较低，能量的传输速度比较慢，同时土壤源热泵的工程造价成本较高。水源热泵相对于土壤与热泵能量密度大，能量传输快，工程简单，但是水源热泵直接对地下水进行抽灌，容易造成地下生态环境的破坏。早期水源热泵采用开放式系统，地下水经过换热器换热后直接排放到周围环境中，水资源浪费比较严重，同时容易造成地面塌陷，已被较多的国家和地区禁止使用，现在水源热泵多使用双井系统，即在抽水的同时向地下含水层进行回灌。目前，土壤源热泵的应用较多，相应的研究已经较为成熟，水源热泵的应用越来越受到关注，研究成果也越来越多。水源热泵在应用过程中涉及传热和传质等多个问题，存在热贯通和热交互现象，这些现象会导致热泵的效率下降、运行成本上升，维持热泵效率在其应用过程中有重要的意义。本课题以热贯通和热交互为前提，对地下含水层蓄能的效能进行研究分析。在课题的研究过程中，主要通过实验的方法进行分析，采用相似理论，对蓄能和取能过程进行模拟实验，研究其传热传质变化规律，对蓄能机理进行分析，提高水源热泵地下传热过程的认知水平以及深入了解主动蓄能对热泵效率的影响，指导工程应用，拓展相关的理论知识。本文依据地下水动力学，结合传热学的基本规律，对水源热泵应用过程中蓄能特性进行分析，探索蓄能过程的热量运移机理，以及在蓄能条件下，抽灌取热过程热势场的变化。本文的主要内容包括以下几部分：以热贯通热交互为前提，以蓄能特性为研究主线，对不同蓄能量，不同蓄能状态带来的影响进行研究分析。首先，对蓄能的有效性进行分析，通过对比有蓄能和无蓄能模式，分析蓄能对抽水温度的影响。此阶段完成后，对蓄能的回灌温度和蓄能流量进行调整，研究在不同蓄能条件下抽水温度的变化情况。第二个阶段研究倒井蓄能的情况。即在蓄能过程中倒换抽水井和回灌井，向取热时的抽水井回灌高温水。此过程也分为多种运行状态，主要通过改变温度和流量等参数研究在不同条件下，抽水温度的变化情况。最后阶段为数值模拟，建立二维数值模型，通过实验结果验证计算模型，并对台架实验中由于实验条件限制不能开展的多周期实验进行模拟分析。
【图文】：

示意图,特征单元,示意图,单元体

κ=kρg/η…………………系数、η 动力粘滞系数、ρ 流体密度；k 多项异性，可以使用张量对渗透系数进行描数大。砂土层渗透性较弱，约为 0.01-1m/系数要大于 10m/d；粘土层透水性较差，程的热运动区域内，取一个单元体（在单元体内别为dx，dy ，dz 且平行于坐标轴，作为特流动速度的方向和大小均不相同。根据质量了微分方程形式表达的连续性方程，单元描述

示意图,几何模型,示意图,取热

图 2.2 几何模型示意图域尺寸 400×400m，布井区域尺寸 100×回灌井及抽水井区域均为取热过程的抽水及回灌区域将对换。几何模型中管井直量为 60m3/h，，总抽水量为 120 m3/h，含水月，蓄能过程为 2 个月，计算过程中一个能模式的计算过程中，执行一次取热后设为 0，即进入停泵保持期，时长 7 个月，本文中执行 5 个周期的模拟计算。在蓄能，蓄能时长 2 个月，停泵 2 个月，之
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK529

【参考文献】