基于水源型浅层地热能采集场地水-热耦合模拟与应用
发布时间：2020-05-12 19:25
【摘要】：能源、信息与材料是现代人类文明的三个基石。随着化石能源储量减少、价格上升以及使用过程中带来的环境污染等一系列问题的凸显,开发新的绿色能源逐渐成为我国面临的一项紧迫任务。浅层地热能是一种近年来蓬勃发展的一种新型绿色能源,是指地表以下一定深度范围内(一般指200m埋深),在当前经济技术条件下可以开发利用的地热能资源,其能量主要来源于太阳辐射与地球内部。水源型浅层地热能是指以含水层作为能量来源的浅层地热能,通常采用热泵机组提取含水层中的热量或冷量。热泵机组的工作流程可以概括为三个阶段:第一是能量采集阶段,通过水泵抽取地下含水层中的水,由于水的对流作用,在抽水同时也采集了的能量;第二是能量提升阶段,通过热泵机组的制冷剂循环,消耗部分电能等高品位能源,把采集的能量供给冷媒,水的温度提升到可以使用的温度;第三是能量利用阶段,通过散热器等末端装置输送给用户。水源型浅层地热能作为一种新能源,具有效率较高、节约能源、环境友好、运行稳定以及经济效益显著的优势,因此成为国家推广使用的一种重要能源。其主要技术是水源热泵系统,地下抽灌井的设计是其关键所在。由于在理论模型研究、工程设计、管理运营、优化和控制等方面尚存在诸多问题,致使水源型浅层地热能的使用受到很大限制。本文在国内外现有理论成果和工程实例基础上,对水源型浅层地热能采集的水-热耦合模拟理论与应用中一些关键问题进一步展开了深入研究。具体的研究内容和取得的创新成果如下:(1)采用解析法求得典型含水层物理场的精确解,为数值模拟及应用提供基础支撑。其中物理场包括场地含水层的渗流场和温度场,在渗流场方面得到了单井、对井、群井、多个回灌井的解析解;在温度场方面得到了大地热流密度、恒温边界含水层、对流边界条件含水层温度函数的解析解,这些研究成果为进一步解决相关的复杂问题、开发相关软件奠定了理论基础。(2)在场地含水层数值模拟的理论基础方面,完成了水一热耦合模拟的有限单元方法理论推导。这些工作包括基于变分原理把水头函数和温度函数的二阶偏微分方程化为一阶常微分方程组,从而使求解难度大大降低,然后采用有限差分法即可得到原问题的数值解。(3)提出了有限单元和热泵机组制冷循环相结合方法,数值模拟水源型浅层地热能采集场地含水层-热泵机组的能量采集与交换过程。运用逆卡诺循环原理对制冷(热)过程进行研究,为分析含水层的不同参数状况下水源热泵机组的出力和工作效率奠定了基础。对比了冬夏两季使用和单季使用两种不同工况下抽水温度的差别,计算了对井系统单季运行时采能衰减系数,采用季节储能率分析了冬夏两季使用时的储能状况,为高效利用地热能提供了重要依据。这些工作也为采用系统科学原理研究地源热泵提供了重要参考,为水源热泵高效运行奠定了一定基础。(4)利用含水层物理场的解析解,拟定不同情景求得了具体数值,并绘制了水头和温度函数随时间和其它参数变化的曲线图,为深入研究温度场和水动力场的时间-空间变化规律提供了重要依据。在具体算例中详细分析了与采能场地相关参数变化的原因、趋势、特点等情况。(5)采用水-热耦合数值模拟方法分析研究了对井地热能采集系统特点和采能场地的关键参数。具体内容包括:采用数值模拟方法分析了不同情景对井含水层流场和温度场的特点,抽灌井不同流量和抽灌温度时物理场的分布及变化规律,不同抽灌井距离对含水层水头和温度分布的影响。(6)采用数值模拟方法对河北省正定浅层地热能采集实验场进行了研究。具体研究工作包括:①分析场地的基本状况、自然地理概况、水文地质条件、概化研究区域的水文地质概念模型;②建立研究区的水-热耦合模拟的数学模型和几何模型;③进行模型识别、确定含水层水文地质和热物性参数;④采能场地含水层物理场预测方案设计、采集场地渗流场和温度场预测与评价等重要工作。具体的数值模拟工作包括,根据观测数据、相关资料以及实际运行工况,采用FEFLOW软件模拟了冬季采暖时抽灌井含水层的水动力场和温度场,绘制了大量相关图形。数值模拟结果表明:在现有条件下该工程运行状况良好,节能效益显著。(7)采用复变函数和地下水动力学理论推导出单井、群井、对井等采能方式的水头表达式,得到了对井抽灌时抽灌流量与距井长度和过水断面的关系,并得到了一系列重要结论,这些工作为对井含水层的数值模拟提供了有力的理论依据。推导了多个回灌井水源热泵系统的水头函数解析表达式,为解决回灌困难问题奠定了理论基础。(8)建立了三种典型浅层地热能采集场地温度场的水文地质概念模型和数学模型,分别采用分离变量法、积分变换方法、二阶常微分方程解法求得了解析解,这些工作对于深化理解浅层地热能空间分布特点和时间演化情况具有重要作用,也为进一步的理论研究提供了材料,奠定了从一维模型到高维模型建模的基础,这些创新成果也为验证浅层地热能数值模拟结果提供了有力的理论工具。(9)采用水-热耦合方法建立了浅层地热能采集场地含水层的数学模型,在有关水头偏微分方程中考虑由于温度变化引起的水头变化,在有关温度函数的偏微分方程中考虑由于流量变化引起的温度变化,这样把水头和温度二者耦合起来求解,实现了水头和温度之间的双向耦合。这种方法比仅考虑水流对温度作用的单向耦合大幅度减小了误差,使模拟结果更真实地反映含水层物理场的客观情况。(10)采用模拟方法分析了对井含水层流场和温度场的特点,从理论上研究温度对水头产生的影响,而这也是通常忽视的地方。采用冬夏互补季节储能率概念,得出冬夏热平衡是含水层长期稳定运行的必要条件。提出了单季采能衰减系数的概念,为定量分析热泵系统单季运行时的采能状况提供了科学依据。研究了抽灌井不同流量和抽灌温度时物理场的分布及变化规律,模拟结果表明抽灌流量增加到一定值后,出现抽水温度变化趋势完全相反情况。这些研究成果为提高热泵机组的工作效率提供了有效地解决方案。模拟了“小流量大温差”的使用情况,模拟结果显示:在提取同等热量情况下,加大抽灌温差输出功率也会相应增加,但会明显降低机组的COP值,同时会减少水泵的能耗,这些结果给系统分析能量采集提供了科学依据。通过研究不同抽灌距离对含水层水头和温度分布的影响,采用热力学原理分析关键参数对热泵机组换热效率的影响,给科学高效利用能源打下坚实基础。
【图文】：
种新型先进地源换热系统。逡逑地源热泵系统主要由地热能采集设施、地面热泵空调机组、建筑物末端装置、逡逑自动控制装置等四部分组成（图１．１）。地热能采集设施包括抽水井、回灌井、含逡逑水层等，它的作用是采集场地含水层屮的热量和存储用户通过热泵机组释放的热逡逑量｜１］。如果水源热泵不能满足用户需求，则需要增加锅炉、电热器、电厂余热等冷逡逑热源辅助设备。热泵机组主要由冷凝器、蒸发器、压缩机和膨胀阀几部分组成，逡逑用户末端装ｔ则包括风机盘管、热水器等设备。自动控制装置通过传感器获取有逡逑关水源热泵、热泵机组、用户侧、气象参数的数据，通过控制整个系统满足用户逡逑５逡逑
对能量的需要。室外气象模型是热泵机组输出能量和用户得失能量多少的重要依逡逑据。逡逑地源热泵包括水源热泵和土壤源热泵两种基本形式，如图１．２所示。水源热泵逡逑是以水或添加防冻剂的水溶液为低温热源的热栗。水源热泵的地下水温度在逡逑１０？２５°Ｃ，冬季高于室外温度而夏季低于室外温度。土壤源热泵是传热介质通过竖逡逑直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换器的地热能交换系统，又称地埋管换逡逑热系统。逡逑３逦７逡逑１——逡逑■邋■邋——邋逦逦邋＿逡逑１逦１邋＾逦｜邋Ｌ逡逑Ｉ邋｜邋Ｉ邋Ｉ邋１逦「Ｉ邋丨卜１丨｜３邋］逡逑５邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋｜逦６逦Ｉ邋＾邋ｊ邋Ｉ逦ｎ逡逑一邋Ｉ丨一」丨逦卜Ｉ邋Ｉ邋Ｕ邋＾—－逡逑—ｒ——。ｉ逡逑逦邋°邋Ｉ逡逑N逦逦逡逑水源热泵逦土壤源热泵逡逑１－含水层抽水区，２－潜水泵，３－水源热泵抽水宵，４－Q嫻嗨埽担樗叮嗨罚樗猓福璔嬎义象猓梗竦兀妫婊蝗绕鳎保埃叵律先溃保保盍襄义贤迹保驳卦慈缺米槌墒疽馔煎义希疲椋纾澹保插澹茫铮恚穑铮螅椋簦椋铮铄澹铮驽澹瑁澹幔翦澹螅铮酰颍悖邋澹幔睿溴澹瑁澹幔翦澹螅椋睿脲义系卦慈缺玫娜仍床嗍导士梢钥醋魇且桓龃⒛苌璞福静膳┤仁蓖ü涠冲义纤诽崛『阒写⒋娴娜攘拷肴缺没椋榈难顾踝饔美刺嵘斟义系娜攘浚顾趸顾鹾蠼肜淠骼淠禾缓笤偈头懦鋈攘浚捎没у义喜嗄┒俗爸冒盐盏睦淙此械娜攘克腿胝舴⑵
本文编号：2660720
【图文】：
种新型先进地源换热系统。逡逑地源热泵系统主要由地热能采集设施、地面热泵空调机组、建筑物末端装置、逡逑自动控制装置等四部分组成（图１．１）。地热能采集设施包括抽水井、回灌井、含逡逑水层等，它的作用是采集场地含水层屮的热量和存储用户通过热泵机组释放的热逡逑量｜１］。如果水源热泵不能满足用户需求，则需要增加锅炉、电热器、电厂余热等冷逡逑热源辅助设备。热泵机组主要由冷凝器、蒸发器、压缩机和膨胀阀几部分组成，逡逑用户末端装ｔ则包括风机盘管、热水器等设备。自动控制装置通过传感器获取有逡逑关水源热泵、热泵机组、用户侧、气象参数的数据，通过控制整个系统满足用户逡逑５逡逑
对能量的需要。室外气象模型是热泵机组输出能量和用户得失能量多少的重要依逡逑据。逡逑地源热泵包括水源热泵和土壤源热泵两种基本形式，如图１．２所示。水源热泵逡逑是以水或添加防冻剂的水溶液为低温热源的热栗。水源热泵的地下水温度在逡逑１０？２５°Ｃ，冬季高于室外温度而夏季低于室外温度。土壤源热泵是传热介质通过竖逡逑直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换器的地热能交换系统，又称地埋管换逡逑热系统。逡逑３逦７逡逑１——逡逑■邋■邋——邋逦逦邋＿逡逑１逦１邋＾逦｜邋Ｌ逡逑Ｉ邋｜邋Ｉ邋Ｉ邋１逦「Ｉ邋丨卜１丨｜３邋］逡逑５邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋｜逦６逦Ｉ邋＾邋ｊ邋Ｉ逦ｎ逡逑一邋Ｉ丨一」丨逦卜Ｉ邋Ｉ邋Ｕ邋＾—－逡逑—ｒ——。ｉ逡逑逦邋°邋Ｉ逡逑N逦逦逡逑水源热泵逦土壤源热泵逡逑１－含水层抽水区，２－潜水泵，３－水源热泵抽水宵，４－Q嫻嗨埽担樗叮嗨罚樗猓福璔嬎义象猓梗竦兀妫婊蝗绕鳎保埃叵律先溃保保盍襄义贤迹保驳卦慈缺米槌墒疽馔煎义希疲椋纾澹保插澹茫铮恚穑铮螅椋簦椋铮铄澹铮驽澹瑁澹幔翦澹螅铮酰颍悖邋澹幔睿溴澹瑁澹幔翦澹螅椋睿脲义系卦慈缺玫娜仍床嗍导士梢钥醋魇且桓龃⒛苌璞福静膳┤仁蓖ü涠冲义纤诽崛『阒写⒋娴娜攘拷肴缺没椋榈难顾踝饔美刺嵘斟义系娜攘浚顾趸顾鹾蠼肜淠骼淠禾缓笤偈头懦鋈攘浚捎没у义喜嗄┒俗爸冒盐盏睦淙此械娜攘克腿胝舴⑵
本文编号：2660720
本文链接：https://www.wllwen.com/jingjilunwen/jianzhujingjilunwen/2660720.html
