地下水源热泵系统土壤换热特性研究及运行优化
发布时间：2021-11-17 07:28
一个高效节能环保的地下水源热泵系统的设计与地下土壤的热渗换热的研究密不可分。目前在国内关于抽灌井区的温度场模拟方面还处于起步阶段,在研究热贯通发生时间及其影响因素之间的关系方面还很少。因此,为有效利用地下热能资源,本文结合地下水源热泵取注水情况,研究不同地质条件下含水层的渗流换热特性,讨论地下水源热泵系统的建设和优化。本文通过构建地下水渗流数学模型和热量运移的数学模型,分析抽灌流动下含水层多孔介质特性对地下水取水换热特性的影响。基于COMSOL软件模拟不同情况下含水层温度场的分布情况,并探讨地下水源热泵系统的优化运行模式的作用效果,并提出和验证了“大温差小流量”运行管理模式能够明显提高系统的取水换热能力。不同渗透系数的砂土介质对含水层渗流换热能力影响较大。渗透系数大于20m/d的砂土的不同渗透系数值对渗流换热影响十分明显。尤其当水力坡度较大时,不同渗透系数的砂土对渗流场和温度场的影响较大。因此,在实际勘察中,对于粒径较大砂土,需要具体测定其渗透系数大小以评价含水层的渗流换热能力。而对于渗透系数小于5m/s的砂土,如细砂或粒径更小的砂土类型,可通过查阅资料并取该类型砂土渗透系数的平均值来...
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
地源热泵系统分类及特点Fig.1.1ClassificationandcharacteristicsofGroundWaterHeatPumpSystem
第1章绪论7于地下水充足地区。地表浅层的地下热能来自于深层地热以及吸收了太阳辐射的热量。一般含水层深度在20米至300米之间，常年能够保持恒定温度。在夏季时，通过水泵从含水层中抽取低于夏季室外空气温度的水，在冬季时抽取高于室外空气温度的水，并通过热泵系统进行换热。如图1.2所示为地下水源热泵工作原理示意图。图1.2地下水源热泵工作原理示意图Fig.2.2WorkingprinciplediagramofGroundWaterHeatPumpSystem地下水源热泵系统的开发建设中，很多项目在长期运行后会由于地质条件原因，出现无法正常回灌的问题，导致系统无法正常稳定运行，维修成本及运营管理成本较高。因此，如果没有全面的技术性指导，项目长期运营的经济性会受到很大影响。地下水源热泵技术近些年受到国内外研究学者的关注，但研究方向大多集中在系统运行的能耗和项目的经济性方面，而该技术是一个需要跨学科的内容，不仅涉及到地质学的内容，地下水流的流动与热量的运移也是该技术的重要一部分。地下水是否能完全回灌，与该地区含水层多孔介质渗流能力有主要关系。在同一地下含水层中，若不同空间位置的温度存在差异，如果在温度较高的趋于进行热水开采，或在温度较低的区域进行冷水回灌，或两者同时进行，将会导致冷水封面以一定的速度向热水区域运移。在地下含水层的采能中，当冷/热封面到达开采井时，将会引起开采井温度下降/升高，即发生了热贯通现象。在渗流能力较好的地区开发地下水源热泵，通常能按照设计要求完成百分百的回灌，并且能够有效减少出现热贯通的问题，使系统能够保持长期稳定高效的运行。地下水源热泵系统在采能和蓄能的过程中，抽水井的抽水温度在系统运行一段时间后，会受到回灌井水不同程度的热贯通现象，进而不同程度地影响热泵系统
第1章绪论81.2地下水源热泵系统及其发展本文以下所指系统均表示地下水源热泵系统。在多年的实践和研究过程中，探索出不同形式的系统类型。地下水源热泵系统在开发建设主要受地形地质因素影响，在建设的初期，随着工业的发展该技术得到了广泛的推广和应用。传统的地下水源热泵系统大多考虑地下水取水和热量交换的实现，通常忽略环境污染和可持续发展的问题，经多年开发建设经验和科学技术研究的发展，地下水取水系统也向着更节能环保高效的方向进步。1.2.1地下水源热泵系统1.2.1.1系统的分类及组成地下水源热泵系统在长期的开发建设中分支为多种类型，在最早开发时，大多关注系统的取水功能，忽略系统的回灌的影响。随着开发建设，地下水源热泵系统分为了多种不同的类型。地下水源热泵系统可按含水层的水回路和回灌方式分类，具体如图1.3所示。图1.3地下水源热泵系统的分类Fig.1.3ClassificationofGroundWaterHeatPumpSystem按照回灌方式分类可分为单井系统和双井系统。如图1.4所示，其中，地表回灌和同井抽灌方式均属于单井系统，异井回灌为双井系统。双井系统即指代分为抽水井和回灌井的系统，并非特指井的数量。a）地表回灌；b）同井回灌；c）异井回灌图1.4地下水源热泵按回灌方式分类示意图Fig.1.4Schematicdiagramofclassificationbyrechargemode
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于监测数据的地下水源热泵系统运行策略优化[J]. 王洋,王小清,吕亮. 水利与建筑工程学报. 2019(05)
[2]上海陆域地区地下水采灌与地面沉降的时空特征[J]. 罗跃,严学新,杨天亮,叶淑君,吴吉春. 南京大学学报(自然科学). 2019(03)
[3]热泵供暖技术发展现状及展望[J]. 高秀芝,王沣浩,戢坤池,王志华,刘俊,蔡皖龙. 制冷与空调. 2019(05)
[4]含水层采能区热渗耦合三维数值模型研究[J]. 于林弘,张生海,白莹,马聪,周维博. 地下水. 2019(01)
[5]岩石孔隙结构表征与流体输运可视化研究进展[J]. 宋睿,汪尧,刘建军. 西南石油大学学报(自然科学版). 2018(06)
[6]砂岩微观孔隙分形特征与宏观渗透性能的相关性[J]. 连会青,冉伟,夏向学. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]具有预制孔隙多孔介质冷冻干燥的多相传递模型[J]. 牛利娇,王维,潘思麒,张大为,陈国华. 化工学报. 2017(05)
[8]基于Micro-PIV和LBM的土壤孔隙网络中流体速度分布表征[J]. 周东宝,张淑君,郭观林,王梅,张朝,王积才,杨懿. 环境科学研究. 2017(05)
[9]土壤一维热湿传递实验台的研制及模型试验[J]. 曾召田,吕海波,徐云山,唐双慧,贺海洋. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2016(04)
[10]十三五能源发展规划正在制定 降低煤炭消费是重点之一[J]. 功能材料信息. 2016(03)
博士论文
[1]多孔介质微观输运特性研究[D]. 韦伟.中国地质大学 2018
[2]基于水源型浅层地热能采集场地水-热耦合模拟与应用[D]. 孙海洲.中国矿业大学(北京) 2018
[3]地能利用热工程集成分析数值方法及其应用[D]. 张淑秘.吉林大学 2015
[4]非饱和土水力耦合模型理论分析与方法研究[D]. 李纪伟.华中科技大学 2015
[5]不可逆热力学理论在多孔介质渗流问题中的应用研究[D]. 李守德.浙江大学 2003
硕士论文
[1]地下水源热泵THM耦合模拟及工程应用[D]. 郝豆.安徽理工大学 2019
[2]含多孔骨架的储能材料固液相变界面传递机理研究[D]. 张自仕.山东建筑大学 2019
[3]砂岩微观孔隙分形特征与渗透率的相关性研究[D]. 姜涛.华北科技学院 2019
[4]等孔隙比条件下孔隙介质模型渗透性研究[D]. 宋坤.中国矿业大学 2018
[5]大孔隙率多孔介质渗透率与流动特性的分形理论研究[D]. 杨娇.华东交通大学 2016
[6]基于格子Boltzmann方法土体细观渗流特性研究[D]. 周潇.昆明理工大学 2016
[7]多孔介质热渗耦合实验及模拟研究[D]. 王鹏杰.太原理工大学 2015
[8]多孔透水砖渗流特性实验与模拟研究[D]. 张跃荣.河北工业大学 2015
[9]多孔介质流体流动中的仿蜂巢分形网络[D]. 刘晗.华中科技大学 2014
[10]地源热泵技术的适用性分析及相关对策研究[D]. 李新.西安建筑科技大学 2013
本文编号：3500456
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
地源热泵系统分类及特点Fig.1.1ClassificationandcharacteristicsofGroundWaterHeatPumpSystem
第1章绪论7于地下水充足地区。地表浅层的地下热能来自于深层地热以及吸收了太阳辐射的热量。一般含水层深度在20米至300米之间，常年能够保持恒定温度。在夏季时，通过水泵从含水层中抽取低于夏季室外空气温度的水，在冬季时抽取高于室外空气温度的水，并通过热泵系统进行换热。如图1.2所示为地下水源热泵工作原理示意图。图1.2地下水源热泵工作原理示意图Fig.2.2WorkingprinciplediagramofGroundWaterHeatPumpSystem地下水源热泵系统的开发建设中，很多项目在长期运行后会由于地质条件原因，出现无法正常回灌的问题，导致系统无法正常稳定运行，维修成本及运营管理成本较高。因此，如果没有全面的技术性指导，项目长期运营的经济性会受到很大影响。地下水源热泵技术近些年受到国内外研究学者的关注，但研究方向大多集中在系统运行的能耗和项目的经济性方面，而该技术是一个需要跨学科的内容，不仅涉及到地质学的内容，地下水流的流动与热量的运移也是该技术的重要一部分。地下水是否能完全回灌，与该地区含水层多孔介质渗流能力有主要关系。在同一地下含水层中，若不同空间位置的温度存在差异，如果在温度较高的趋于进行热水开采，或在温度较低的区域进行冷水回灌，或两者同时进行，将会导致冷水封面以一定的速度向热水区域运移。在地下含水层的采能中，当冷/热封面到达开采井时，将会引起开采井温度下降/升高，即发生了热贯通现象。在渗流能力较好的地区开发地下水源热泵，通常能按照设计要求完成百分百的回灌，并且能够有效减少出现热贯通的问题，使系统能够保持长期稳定高效的运行。地下水源热泵系统在采能和蓄能的过程中，抽水井的抽水温度在系统运行一段时间后，会受到回灌井水不同程度的热贯通现象，进而不同程度地影响热泵系统
第1章绪论81.2地下水源热泵系统及其发展本文以下所指系统均表示地下水源热泵系统。在多年的实践和研究过程中，探索出不同形式的系统类型。地下水源热泵系统在开发建设主要受地形地质因素影响，在建设的初期，随着工业的发展该技术得到了广泛的推广和应用。传统的地下水源热泵系统大多考虑地下水取水和热量交换的实现，通常忽略环境污染和可持续发展的问题，经多年开发建设经验和科学技术研究的发展，地下水取水系统也向着更节能环保高效的方向进步。1.2.1地下水源热泵系统1.2.1.1系统的分类及组成地下水源热泵系统在长期的开发建设中分支为多种类型，在最早开发时，大多关注系统的取水功能，忽略系统的回灌的影响。随着开发建设，地下水源热泵系统分为了多种不同的类型。地下水源热泵系统可按含水层的水回路和回灌方式分类，具体如图1.3所示。图1.3地下水源热泵系统的分类Fig.1.3ClassificationofGroundWaterHeatPumpSystem按照回灌方式分类可分为单井系统和双井系统。如图1.4所示，其中，地表回灌和同井抽灌方式均属于单井系统，异井回灌为双井系统。双井系统即指代分为抽水井和回灌井的系统，并非特指井的数量。a）地表回灌；b）同井回灌；c）异井回灌图1.4地下水源热泵按回灌方式分类示意图Fig.1.4Schematicdiagramofclassificationbyrechargemode
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于监测数据的地下水源热泵系统运行策略优化[J]. 王洋,王小清,吕亮. 水利与建筑工程学报. 2019(05)
[2]上海陆域地区地下水采灌与地面沉降的时空特征[J]. 罗跃,严学新,杨天亮,叶淑君,吴吉春. 南京大学学报(自然科学). 2019(03)
[3]热泵供暖技术发展现状及展望[J]. 高秀芝,王沣浩,戢坤池,王志华,刘俊,蔡皖龙. 制冷与空调. 2019(05)
[4]含水层采能区热渗耦合三维数值模型研究[J]. 于林弘,张生海,白莹,马聪,周维博. 地下水. 2019(01)
[5]岩石孔隙结构表征与流体输运可视化研究进展[J]. 宋睿,汪尧,刘建军. 西南石油大学学报(自然科学版). 2018(06)
[6]砂岩微观孔隙分形特征与宏观渗透性能的相关性[J]. 连会青,冉伟,夏向学. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]具有预制孔隙多孔介质冷冻干燥的多相传递模型[J]. 牛利娇,王维,潘思麒,张大为,陈国华. 化工学报. 2017(05)
[8]基于Micro-PIV和LBM的土壤孔隙网络中流体速度分布表征[J]. 周东宝,张淑君,郭观林,王梅,张朝,王积才,杨懿. 环境科学研究. 2017(05)
[9]土壤一维热湿传递实验台的研制及模型试验[J]. 曾召田,吕海波,徐云山,唐双慧,贺海洋. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2016(04)
[10]十三五能源发展规划正在制定 降低煤炭消费是重点之一[J]. 功能材料信息. 2016(03)
博士论文
[1]多孔介质微观输运特性研究[D]. 韦伟.中国地质大学 2018
[2]基于水源型浅层地热能采集场地水-热耦合模拟与应用[D]. 孙海洲.中国矿业大学(北京) 2018
[3]地能利用热工程集成分析数值方法及其应用[D]. 张淑秘.吉林大学 2015
[4]非饱和土水力耦合模型理论分析与方法研究[D]. 李纪伟.华中科技大学 2015
[5]不可逆热力学理论在多孔介质渗流问题中的应用研究[D]. 李守德.浙江大学 2003
硕士论文
[1]地下水源热泵THM耦合模拟及工程应用[D]. 郝豆.安徽理工大学 2019
[2]含多孔骨架的储能材料固液相变界面传递机理研究[D]. 张自仕.山东建筑大学 2019
[3]砂岩微观孔隙分形特征与渗透率的相关性研究[D]. 姜涛.华北科技学院 2019
[4]等孔隙比条件下孔隙介质模型渗透性研究[D]. 宋坤.中国矿业大学 2018
[5]大孔隙率多孔介质渗透率与流动特性的分形理论研究[D]. 杨娇.华东交通大学 2016
[6]基于格子Boltzmann方法土体细观渗流特性研究[D]. 周潇.昆明理工大学 2016
[7]多孔介质热渗耦合实验及模拟研究[D]. 王鹏杰.太原理工大学 2015
[8]多孔透水砖渗流特性实验与模拟研究[D]. 张跃荣.河北工业大学 2015
[9]多孔介质流体流动中的仿蜂巢分形网络[D]. 刘晗.华中科技大学 2014
[10]地源热泵技术的适用性分析及相关对策研究[D]. 李新.西安建筑科技大学 2013
本文编号：3500456
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