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《吉林大学》 2018年
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地能利用复合结构能量传输与控制机制研究

王晓阳  
【摘要】:地能利用过程中,地温场能量传输及热交互特性是决定地下换热器及抽灌井能源利用效率高低的核心因素。特别地,对地下水源地能利用系统而言,系统运行是否稳定性及效能高低决定于回灌的冷量与热量运移至抽水区时能否达到稳定或动态平衡状态,并维持抽水温度稳定在某一数值上下。在地下水源地能利用系统运行过程中,抽水井冬季可有效地提取夏季回灌的热量,夏季可有效地提取冬季回灌的冷量,充分利用地下岩土蓄能作用,既提高冬季蒸发温度,又降低夏季冷凝温度,实现能量的跨季节高效存储与有效再利用。事实上,我国广大地区冷热负荷需求处于不平衡状态,长期的地能利用导致地下富集冷量或热量,造成地温层过度热交互,最终因抽水热贯通的过度恶化而导致系统效率降低,甚至失效。本文结合国家自然科学基金项目(No.51376080),对地能利用地源形式进行重整与优化分析,实现含水层温度场、渗流场、水动力场等多场协同控制以达到地温分布趋向均匀并维持低水平的抽水热贯通。一是研究地下换热器与抽灌井构成的地源复合结构,实施以抽灌井为主、地下换热器为辅的运行模式;二是改进传统的井壁全流式抽灌,提出一种新型的井壁半流式定向抽灌,实现地下水流向的主动控制,成为本文研究的主要创新内涵。文中搭建了地下换热器与抽灌井地源复合结构实验台,进行含水层热传输特性的实验研究,并进行仿真模拟的实验验证。以此为基础,将小尺度的地源复合结构实验扩展至实际构造尺度,建立多种仿真模型,采用数值计算方法,分别在静态含水层及存在地下水自然横流的含水层中,考虑多种影响因素,进行多周期、跨季节、宽地域的模拟研究与分析,揭示长期运行过程中含水层热流场的演变规律,完善地下水传热机制与能量传输控制理论。本文地源复合结构实验工况研究表明,抽灌井群中增加一定数量的地下换热器对抽水温度及温度场产生有限大小的影响,证实地下换热器与抽灌井构成的地源复合结构具有可行性。同时,含水层横流作用的变横流流速及变抽灌流量工况实验结果表明,横流可有效抑制热贯通。此外,实验进行了模型验证,结果表明,研究工况范围内的最大相对误差低于6%,且最大均方根误差不高于0.5。论文研究工作结合工程实际,开展了地能利用地源复合形式的模拟计算分析,通过模型建立和计算方法完善,开展多要素作用的地源地能利用系统能量传输和用能研究。其中,以负荷分配模式、地下换热器布置形式、抽灌井布置形式为控制变量因素,设定不同因素水平,研究含水层热传输特性。负荷分配模式中,地下换热器与抽灌井负荷分配比例供暖季2:3而制冷季0:1时可较好地抑制热贯通的恶化,降低抽水区含水层热交互程度。地下换热器呈纵向集中式而抽灌井呈纵向顺排式时,抽水温度下降幅度最小,含水层热交互较轻,更有利于提高地温场的热恢复能力。此外,倒井模式及夏启模式可更好地实现能量的循环利用,优于常规的固定井模式及冬启模式。在地下水自然横流的模拟计算分析研究中,在横流量条件下,以不同的负荷分配模式及换热器布置形式为例,分别研究其在逆流、顺流、交叉流三种横流态下的热流场、渗流场的变动性。此后,以换热器纵向集中而抽灌井纵向顺排形式的复合结构为例,研究横流态下不同横流流速的影响。结果表明,逆流形态最有利,交叉流次之,且两种形态均可有效抑制热贯通的加重,优化抽水区温度分布,而顺流态最不利。为进一步进行系统优化,在地源复合结构研究的基础上,针对传统的抽灌井滤水井壁,进行井壁控流形式的优化设计,创新性地提出半流式井壁控流结构形式,基于全流模式与全半流模式,分别在供暖为主区与冷热负荷均衡区,开展不同负荷、抽灌井间距、流量与抽灌温差作用下的能流特性模拟研究。研究发现,半流模式可更好地减弱热贯通程度,降低抽水温度的波动,减小热贯通能量损失,为地温恢复提供了较可靠的保障。最后,进行四种井壁控流组合模式的研究。结果表明,抽水井采用半流式形式,可有效降低抽水热贯通程度,而尤以抽灌井均为半流式时为最佳。因此,半流定向抽灌具有显著的工程可利用性,并为地能高效利用提供更有效的新途径。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TK521

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