【摘要】：地能是一種清潔的可再生能源,是國家節(jié)能減排計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行能量儲存和交換,對地下水源和含水層結構影響較小,但是它受到能源密度低、能量傳輸慢、工程造價高等制約。后者依托含水層能量體,對地下水進行抽灌循環(huán)利用,盡管它的能源利用密度大,能量輸運快,工程成本較低,但是它存在危害地下水資源的危險。目前,國內(nèi)外對地下土壤源熱泵的研究和開發(fā)利用已達到較為成熟的水平,研究的焦點逐漸轉(zhuǎn)向地下水源熱泵的科學利用。 地下水源熱泵系統(tǒng)涉及抽灌井群復雜多變的流動、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用的科學發(fā)展,因此基于大規(guī)模應用的井群抽灌過程的能量傳輸和熱流場協(xié)同控制是一項急待解決的科學問題。 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,模擬計算,結合相關實驗研究,進行過程機理研究、性能分析、可變性預測、控制策略制定及設計評價等工作,提高對地下傳熱過程認知能力,指導工程實踐,拓展相應的基本理論。 本文先從地下水動力學角度,結合傳熱學,對地下水滲流、地下水向承壓水完整井的穩(wěn)定運動、地下巖土多孔介質(zhì)的熱量運移等進行理論和機理分析,為進一步模型分析奠定理論基礎。主要內(nèi)容有三部分,以抽灌井群的熱交互性為研究重點,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)運行的模式；第三部分基于供熱供冷聯(lián)合間歇運行的模式。 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,以期指導地下水源熱泵工程中抽灌井的優(yōu)化設計。 在分析井群布置方式的影響時,提出了四種不同的形式。研究表明,在一個計算周期(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。當逆流流速大于某一臨界值時,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,采用貼近工程實際的供熱供冷聯(lián)合長期運行工況,探究不同年運行模式和日運行模式下抽灌溫度變化趨勢及熱擴散影響范圍的差異。這對實際工程中長期運行的地下水源熱泵系統(tǒng)運行模式的選用和調(diào)整有指導價值。 分析表明,年運行模式以一年一倒井聯(lián)合運行模式為最佳；日運行模式,從熱泵熱效率角度來看,運停時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,運行周期長的情況下,運停時間間隔長的模式較優(yōu)。這樣在實際工程應用中就需要一個效益和地下熱環(huán)境保護的權衡。 研究工作基于CFD平臺,在Fluent軟件現(xiàn)有模塊上輔助以UDF運用,建立簡化的二維數(shù)值模型對以上問題進行模擬分析。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TK523
【圖文】：

第一章緒論景及意義臨的最大挑戰(zhàn)就是能否實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)和緊迫任務。在能源開發(fā)及利用領域，適應可適要求的前提下，優(yōu)化能源結構，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用技術，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、達西定律1856年，法國水力工程師亨利·達西通過如圖2.1所示裝置試驗得到。不不 不 ...奮二 二……’，.。 。腳腳J知 知{{{:-:決 :::……… …...’:成， ... ....-二 二....… ...……。。.滬 滬Q*!圖2.1達西試驗裝置試驗將均質(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，得出關系式: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斷面面積，單位mZ;拭、從為在滲流運動方向上相離為L的過水HI一HZ斷面1和2處的滲流水頭值(m);L為兩過水斷面之間水力坡度

根據(jù)所揭露含水層深度和進水條件，都可分為完整井、不完整井兩類。如果水井貫穿整個含水層，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含水層，水井未貫穿整個含水層，只有井底及含水層部分厚度上能進水，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。設其一點(x，y)的初始水頭為月H。(x，y，0)，抽水t時間后水頭為H(x

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本文編號：2770820