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《吉林大学》 2011年
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抽灌井群热交互性及其布控特性研究

陈响亮  
【摘要】:地能是一种清洁的可再生能源,是国家节能减排计划中的多种新型能源之一。地能利用主要包括地下土壤源和地下水源两种形式。前者依托地下岩土能量体进行能量储存和交换,对地下水源和含水层结构影响较小,但是它受到能源密度低、能量传输慢、工程造价高等制约。后者依托含水层能量体,对地下水进行抽灌循环利用,尽管它的能源利用密度大,能量输运快,工程成本较低,但是它存在危害地下水资源的危险。目前,国内外对地下土壤源热泵的研究和开发利用已达到较为成熟的水平,研究的焦点逐渐转向地下水源热泵的科学利用。 地下水源热泵系统涉及抽灌井群复杂多变的流动、传热和传质问题,其井群布控、热交互性、热流场演变控制等诸多问题一直困扰着地下含水层蓄能和热泵应用的科学发展,因此基于大规模应用的井群抽灌过程的能量传输和热流场协同控制是一项急待解决的科学问题。 本课题拟着重对抽灌井群热交互性及其布控特性等问题开展研究。通过理论分析,模型建立,模拟计算,结合相关实验研究,进行过程机理研究、性能分析、可变性预测、控制策略制定及设计评价等工作,提高对地下传热过程认知能力,指导工程实践,拓展相应的基本理论。 本文先从地下水动力学角度,结合传热学,对地下水渗流、地下水向承压水完整井的稳定运动、地下岩土多孔介质的热量运移等进行理论和机理分析,为进一步模型分析奠定理论基础。主要内容有三部分,以抽灌井群的热交互性为研究重点,以热贯通为主线,以既定地下含水层物性参数、布井域大小及抽灌量为前提进行研究。其中第一、二部分的研究均基于单一供暖并且抽灌系统连续运行的模式;第三部分基于供热供冷联合间歇运行的模式。 其一,主要分析抽灌井群布置位置、同类井(抽水井)间距的不同形式对抽灌温度、热贯通等热交互性参数的影响,探究布井模式的热交互性及布控特性,以期指导地下水源热泵工程中抽灌井的优化设计。 在分析井群布置方式的影响时,提出了四种不同的形式。研究表明,在一个计算周期(一年)内,直列式的井群抽水平均温度的总体降幅约为环布式的50%,而发生不同程度热贯通的时间约为环布式的2倍。很显然在井群平均抽水温度和抽灌系统发生不同程度热贯通时间长短两方面,直列式均优于环布式。 对同类井(抽水井)间距的不同形式分析发现,在上述两项热交互性参数方面,增大中间两口井间距模式最优,等间距模式次之,缩小中间两口井间距模式最差,但三者的差别不明显。 其二,研究地下水横流不同流向(无横流、顺流、逆流、交叉流)对热交互性的影响作用;此外还对逆流的流速控制特性及顺流的蓄能作用作了一定的分析。这些问题的研究对地下水源热泵系统的选址及安装调试都有一定的指导作用。 研究发现,逆流模式的井群抽水平均温度处于最高水平。就总体温度降幅来说,逆流模式约为顺流模式的37%,约为交叉流模式和无横流模式的62%.在热贯通方面,逆流模式最不容易发生热贯通,其发生不同程度热贯通时间约为顺流模式的1.5倍,约为无横流和交叉流模式的1.2倍。 此外,逆流模式下,流速越大,抽灌系统越不容易发生热贯通。当逆流流速大于某一临界值时,抽灌系统将永不发生热贯通。本文定义此流速为逆流不贯通临界速度。 对顺流蓄能作用分析表明,在供热期,地下水的顺流发挥“蓄热”作用;而在供冷期,又发挥“蓄冷”的作用。这种蓄能作用对热泵效率的发挥是有利的。 其三,采用贴近工程实际的供热供冷联合长期运行工况,探究不同年运行模式和日运行模式下抽灌温度变化趋势及热扩散影响范围的差异。这对实际工程中长期运行的地下水源热泵系统运行模式的选用和调整有指导价值。 分析表明,年运行模式以一年一倒井联合运行模式为最佳;日运行模式,从热泵热效率角度来看,运停时间间隔短的模式最优;而从对地下热环境的影响角度来看,运行周期长的情况下,运停时间间隔长的模式较优。这样在实际工程应用中就需要一个效益和地下热环境保护的权衡。 研究工作基于CFD平台,在Fluent软件现有模块上辅助以UDF运用,建立简化的二维数值模型对以上问题进行模拟分析。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TK523

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