海水源热泵多井取水系统渗流换热特性研究

发布时间：2020-11-09 09:36

　　 海洋占地球面积的71%,是一个巨大的可再生能源库,适合作水源热泵的低位热源与热汇。我国寒冷地区海水源热泵系统的运行受到海水温度、气候条件等多方面影响,使其正常稳定运行需要复合其它能源,海岸井取水海水源热泵系统是综合利用海水和地下岩土热能的一种可再生能源利用系统。海水在地下岩土中渗流换热过程涉及的地块尺寸大,多井系统影响因素多,数值计算所需时间长,且也不易找到各影响因素之间的一般内在关系,建立快速求解的半解析模型、提高系统优化速度十分必要。受实际工程条件限制,难以实现对不同实验工况进行研究,搭建相似实验台并对相似准则数之间的关系进行理论研究,开展海水源热泵多井取水系统渗流换热特性的研究,使研究成果能有效地推广应用于工程设计中,具有重要的理论意义和实用价值。由于海水源热泵供热技术在中国沿海区域规模化应用前,需要对已建海水源热泵系统运行情况进行实测与分析,因此分别对大连直接取水和海岸井取水的海水源热泵系统进行了实地调研与测试。其中直接取水系统的供热季平均海水温度为5.83℃,机组和系统平均COP分别为2.99和2.30;海岸井取水系统的供热季平均海水温度为12.85℃,机组和系统平均COP分别为4.66和3.70。海岸井取水系统与直接取水系统相比,由于其取水温度更高且更稳定,海岸井取水方式可以提高海水源热泵系统运行的安全性、稳定性和运行效率。本文建立了一种快速求解的多井取水系统渗流换热模型。引入映射理论处理海岸线边界条件,叠加原理处理多井系统,解决了海岸线边界与多井系统建模方面的难点。建立并解析求解渗流模型,不仅大大减少了计算时间,而且可以系统地分析多井取水系统各影响因素之间的定性和定量关系。由于海岸井取水系统在主流方向上的贝克利(Peclet)数均大于4个数量级,渗流换热以对流的影响为主,因此在换热模型构建中忽略导热项,以进一步提高计算速度。并且基于MATLAB平台编制了海岸井取水渗流换热系统模拟软件。为解决海岸井渗流换热实测研究中,受地域和现场条件限制而导致实测结果的局限性问题,本文设计和建造了多井取水系统渗流换热的实验台,验证了海岸井取水系统渗流换热模型的准确性;并进一步对建立的模型进行相似理论分析,找到一些相似准则数。对不同工况(抽水井的个数和位置、抽水流量、抽水时间)进行理论与实验研究,获得了单井和双井渗流换热半经验准则关联式即准则数之间呈指数关系。过余温度(?)随着傅里叶数Fo、流量准则数D和位置准则数R的增加而减少,准则数对过余温度(?)的影响从大到小分别为傅里叶数F0、位置准则数R和流量准则数D。针对多井取水系统的影响因素多,且不易明确因素之间的交互作用,提出了基于本文建立的快速求解模型的一种优化方法——分步枚举法,解决了大尺度区域多井系统的可行方案数量众多且优化工作量巨大的难题。以某37000m2的建筑项目为例,以生命期费用为优化目标的显著性因素优化结果为.:比热容1260J/(kg·K),渗透系数0.0007m/s,地块宽度750m,地块长度500m,海岸井排数1排,海岸井列数3列。分步枚举法与枚举法相比节约了优化时间,与正交法相比提高了优化精度的同时,优化结果具有更好的可分析性。该优化方法能够满足工程规划和设计要求,宜被工程设计师掌握,弥补了目前多井取水换热工程仅根据随机选择的试验井水文地质报告进行设计的不足。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU83
【部分图文】：

家裘布依Ｇ．Ｄｕｐｕｉｔ），在达西定律的基础上，根据大一事实提出了裘布依，假设即忽略重力方向分速度将，推导了地下水流向井内的平面流运动公式，把达西］。在达西定律和裘布依假设的基础上，１９３５年泰斯律，在数学家Ｃ．Ｉ．卢宾帮助下，在含水层为均质、各无侧向补给、原始水位水平的假设条件下，列出了描方程，称为泰斯公式。泰斯公式的出现开创了现代地０年，Ｍ．Ｋ．哈伯特提出了流动势的概念，引入叠加原水层中的井流计算提供了有力的工具。??达西定律的适用条件是层流，而破坏达西定律就是出实验表明，并不是所有的地下流体的层流运动都服从运动到不服从达西定律的层流运动再过渡到湍流运动明显的分界线。这是因为在多孔介质中，空隙的大小，有些空隙的流动转变了，有些空隙中还没有变化，

Ｓｙｓｔｅｍ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｇｒｏｕｎｄ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ?ａｐｐａｒａｔｕｓ?ｕｎｄｅｒ?ｃｏｕｐｌｅｄ?ｈｅａｔ?ｃｏｎｄｕｃｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ?ｈｅａｔ?ａｄｖｅｃｔｉｏｎ??据相似传热理论将大型土壤源热泵系统缩小为与其相似的微型实验１．５所示，实验研宄不同工况下有滲流土壤源热泵系统的地下传热度对土壤热泵系统地下传热特性的影响１９６］。袁琛利用土壤源热泵系统研究３种土壤环境中（千土壤、饱和土壤、非饱和土壤）的双埋管（单地埋管连续运行、双地埋管连续运行、双地埋管间歇运行）卜响Ｗ素，以及３种土壤环境下的能效特性｜９７１。??ＩＨ力水钔?同?，??４?一－ｄ?：－耳７，?Ｌｊ??采免投块ｉｉｗ机??：：４ｂ？－?－?丨＇？？＇????Ｘ＇?＾?测?一厂??ｆ＇流温?ｒＴ?Ｉ，，?｜??１１麟?＂电?，ｉＴ＿’?‘」＇」??？?＇?＂＇Ｉ?颂?ａ??一

行了有渗流和无渗流实验，随着地下水渗流速度的增加，土壤导热系数也随之增加。地??下水渗流对地下埋管换热器的换热影响很大｜９８］。??张琳琳基于达西定律设计搭建了缩尺砂箱实验台，实验台示意图如图１．６所示，进??行了饱和砂以及有渗流作用时砂中单根和多根线热源散热的温度响应实验，将中心电加??热棒放置在砂箱的中上游，用来代替单管进行实验测试，并在其左右两侧和下方０．１２ｍ??处各放置１根电加热棒，即采用４根电加热棒来代替管群进行实验测试，得到了不同??散热功率工况下各测点的动态温升曲线，并利用实验数据和现场热响应测试数据分别验??证了相关模型解的准确性和可靠性［９９］。??迸水口??＞惑＿議＿鐘＿，論孔?——??％?低渥恒涵水ｉｆ??、、＇＼??ｉ?Ｉ?Ｉ???＾?｜￣?｜??砂箱?Ｉ?Ｉ?—－—？?ｊ??｜?ｊ?Ｆ?ｊ?ｆ??？＇??＾＜１；?＜．＊?＞Ｊ，．?＇?ｒ?????Ｋ辑４斧ｉ鋒４談’＾??ｚ畜顏?ｉｉ?＿＿ｉ＿ｌ?丨?Ｍｆ’?，，?Ｉｔ?Ｎ－％ｌ?－???Ｊ??ｙ下戎笔?１??出水口／?ｉ?、?Ｊ??图１．６砂箱实验台示意图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓａｎｄ?ｂｏｘ?ｓｙｓｔｅｍ??冯琛琛ｎＱＱ］建立了地源热泵砂箱实验台
【参考文献】

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1 贾欣;端木琳;舒海文;任志勇;徐策;刘靓侃;王飞帆;;黄海北部海水源热泵供热和免费供冷系统实测[J];制冷学报;2014年06期

2 冯琛琛;王沣浩;张鑫;姜宇光;王新轲;;地下水渗流对垂直埋管换热器换热性能影响的实验研究[J];制冷与空调;2011年04期

3 王沣浩;余斌;颜亮;;地下水渗流对地埋管管群传热的影响[J];化工学报;2010年S2期

4 刘雪玲;朱家玲;刘立伟;;含水层储能地下温度场模拟[J];天津大学学报;2009年10期

5 但汉成;李亮;赵炼恒;刘项;;变形多孔介质流固耦合非线性渗流模型及解析[J];长江科学院院报;2009年06期

6 梅一;吴吉春;;FEMWATER模块下三维有限元网格的构建[J];工程勘察;2008年09期

7 胡松涛;陈茂科;郭潇潇;李绪泉;施志刚;刘恺;;青岛帆船中心媒体中心海水源热泵空调系统能耗分析[J];中国建设信息供热制冷;2008年08期

8 金生,耿艳芬,王志力;利用饱和-非饱和渗流模型计算坝体自由面渗流[J];大连理工大学学报;2004年01期

9 张培文,刘德富,黄达海,宋玉普;饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟[J];岩土力学;2003年06期

10 刘哲,魏皓,蒋松年;渤海多年月平均温盐场的季节变化特征及形成机制的初步分析[J];青岛海洋大学学报(自然科学版);2003年01期

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3 薛雨;基于遗传算法和伴随方法的人居环境空气品质逆向问题研究[D];天津大学;2016年

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5 尚妍;含湿岩土间歇蓄/放热传热传质研究[D];大连理工大学;2012年

6 吴君华;渗滤取水技术在海水源热泵系统中的应用研究[D];天津大学;2009年

7 范蕊;土壤蓄冷与热泵集成系统地埋管热渗耦合理论与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

8 黄春娥;考虑渗流作用的基坑稳定分析[D];浙江大学;2001年

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3 殷骏;基于区域地温场的煤矿床温度场数值模拟研究[D];大连理工大学;2015年

4 刘靓侃;定型相变材料回填的U型埋管换热器性能研究[D];大连理工大学;2015年

5 朱传芳;海水制冰机制冰过程传热特性研究[D];华南理工大学;2010年

6 王金香;多孔介质土壤热渗耦合模型及埋管周围土壤温度场数值模拟研究[D];大连理工大学;2006年

本文编号：2876223