同井回灌地下水源热泵源汇井运行特性研究

摘要

同井回灌地下水源热泵的源汇井现在有两种型式：抽灌同井和单井循环系统，它们均能在一口井内完成抽水和回灌。对于抽灌同井，其井内通过隔板把井分成三部分，井的下部是低压吸水区，上部是高压回水区，中间为隔断区。潜水泵运行时，地下水从低压吸水区被抽至井口换热器中，与热泵低温水换热，再由同井返回到高压回水区。单井循环系统是土壤耦合热泵套管换热器的一种变形，在强岩层之下取消了套管外管，水直接在井孔内循环与井壁岩土进行热交换。高峰负荷期间，为了满足负荷要求，单井循环系统通过排放一定比例的循环水来引入一定量的地下原水。本文系统地研究了这两种型式源汇井的运行特性，主要研究内容和取得的成果如下：(1)开展了抽灌同井的现场试验研究工作，提供了近两年的测试数据。通过现场试验，将热贯通分为瞬变热贯通和缓变热贯通。系统存在瞬变热贯通时，会使抽水温度随着回水温度变化。为了缓解抽水温度的变化和减轻回灌压力，将排放引入到抽灌同井系统中，组成单、双井混合系统。同时测试结果也表明抽灌同井冬夏均运行时，季节性储能是抽灌同井低位热量来源的一个重要组成部分。(2)受测试结果的启发，根据源汇井的建造工艺，将抽灌同井分为无回填抽灌同井和砾石回填抽灌同井。分别建立了无回填抽灌同井、砾石回填抽灌同井和单井循环系统的地下水流动和换热数学模型，并给出了数值求解方法。通过收集到的丹麦技术大学无回填抽灌同井的试验数据、美国宾夕法尼亚州立大学无排放单井循环系统的试验数据以及笔者开展的北京某砾石回填抽灌同井的现场试验数据，较全面地验证了本文建立的数学模型。(3)在Hantush非完整井抽水降深理论解的基础上，利用叠加原理推导了单一介质承压含水层中无回填抽灌同井的地下水降深理论解，并得出了稳态降深方程、稳态渗流速度方程、准稳态时间方程和理想井间距方程。源汇井特性分析表明，抽灌同井运行时会发生热贯通现象，但由于热影响范围较大，能承担较大的负荷。砾石回填抽灌同井较无回填抽灌同井能够减小抽水和回灌的压力，热贯通也更严重。对于单井循环系统，原水交换承担了很大一部分负荷，使得单井循环系统较套管换热器能够承担更大的负荷；同时由于含水层中地下水流速小，热影响范围小，其承担负荷的能力又比抽灌同井小。此外还对热贯通现象进行了定量研究。(4)进行了参数研究。研究结果表明，对抽灌同井，渗透系数是抽水和回灌难易程度的关键；渗透系数比是抽水温度变化的关键影响因素；小流量、大温差对于抽灌同井是可行的。对于单井循环系统，其没有回灌困难的问题。渗透系数亦是一个关键性参数；渗透性能较好的含水层极大地提高了系统承担负荷的能力；增加孔深是提高系统承担负荷的能力的有效方法。排放减轻和延缓了抽水温度的变化，但排放的比例和起到的效果并不对等，因而排放应该作为一种紧急措施，来缓解回灌压力和抽水温度的急剧变化。(5)在同井回灌地下水源热泵常年运行工况分析的基础上，对运行过程中的季节性储能现象进行了定量地研究。计算表明，抽灌同井常年运行时，出现了明显的季节性储能现象，季节性储能提供了很大一部分热源或热汇。当累积负荷不平衡时，长期运行抽灌同井的抽水温度会出现明显地年度升高或降低，严重时使源汇井失效。然而单井循环系统并没有出现明显的季节性储能现象，储能比近似等于0。单井循环系统前期的运行对后期的抽水温度基本没有影响，因而对于单井循环系统不用考虑负荷不平衡的问题。本文的研究工作对深入认识同井回灌地下水源热泵的源汇井提供了理论参考，为辨析抽灌同井和单井循环系统的混淆提供了依据。

目录

摘要

Abstract

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 含水层储能在国内外的研究现状及分析

1.2.2 异井回灌地下水源热泵在国内外的研究现状及分析

1.2.3 同井回灌地下水源热泵在国内外的研究现状及分析

1.2.4 国内外研究现状总结

1.3 本文的主要工作

第2章 抽灌同井现场试验研究

2.1 现场试验目的

2.2 工程概况

2.2.1 工程简介

2.2.2 自然地理及水文地质条件

2.3 现场试验方法与仪表

2.3.1 现场试验方案及方法

2.3.2 现场试验仪表

2.4 抽水流量及抽回水温度测试

2.4.1 抽水流量

2.4.2 抽回水温度

2.5 含水层温度测试

2.6 本章小结

第3章 同井回灌地下水源热泵的数学模型

3.1 含水层相关概念及水井类型

3.1.1 含水层

3.1.2 Darcy 定律及渗透系数

3.1.3 储水系数

3.1.4 水井型式

3.2 抽灌同井的水动力模型

3.2.1 模型假设及限定条件

3.2.2 数学模型

3.3 抽灌同井的换热模型

3.3.1 地下水在含水层中的换热分析

3.3.2 模型假设及限定条件

3.3.3 数学模型

3.4 单井循环系统的水动力模型

3.4.1 渗流-管流耦合模型简介

3.4.2 数学模型

3.5 单井循环系统的换热模型

3.5.1 井管、井孔换热数学模型

3.5.2 含水层换热数学模型及边界条件

3.6 模型中参数的计算

3.6.1 含水层参数计算

3.6.2 准则关联式

3.7 模型的数值求解及程序实现

3.7.1 数值求解

3.7.2 程序实现

3.8 本章小结

第4章 同井回灌地下水源热泵的特性分析

4.1 均一含水层中抽灌同井降深理论解

4.1.1 问题的分解

4.1.2 理论解推导

4.2 抽灌同井降深理论解分析

4.2.1 稳态时的降深解

4.2.2 长时间降深方程

4.2.3 远离源汇井降深方程

4.2.4 观测井平均降深方程

4.3 计算条件说明

4.3.1 含水层参数

4.3.2 井参数

4.3.3 负荷边界条件

4.4 抽灌同井特性分析

4.4.1 无回填抽灌同井

4.4.2 砾石回填抽灌同井

4.5 单井循环系统特性分析

4.5.1 单井循环系统的水力特性

4.5.2 单井循环系统的换热分析

4.6 排放策略

4.6.1 排放对流动的影响

4.6.2 排放对温度的影响

4.7 热贯通定量分析

4.7.1 负荷能力

4.7.2 热贯通系数

4.8 本章小结

第5章 同井回灌地下水源热泵的试验验证

5.1 概述

5.2 丹麦技术大学抽灌同井试验验证

5.2.1 试验数据

5.2.2 模型验证

5.3 北京抽灌同井现场试验验证

5.3.1 水文地质概念模型

5.3.2 验证方法

5.3.3 结果分析

5.4 宾夕法尼亚州立大学单井循环系统试验验证

5.4.1 试验数据

5.4.2 验证方法

5.4.3 结果分析

5.5 计算结果可靠性分析

5.6 本章小结

第6章 同井回灌地下水源热泵的参数研究

6.1 概述

6.2 含水层参数的影响

6.2.1 水平渗透系数

6.2.2 渗透系数比

6.2.3 含水层滞止导热系数

6.2.4 含水层容积比热容

6.2.5 热弥散度

6.2.6 地温梯度

6.2.7 含水层厚度

6.3 井参数的影响

6.3.1 井结构参数

6.3.2 抽水管导热系数

6.3.3 粗糙度

6.4 取热负荷的影响

6.4.1 抽水流量变化

6.4.2 负荷相同抽水流量变化

6.4.3 负荷模式和不同地区

6.5 砾石回填对抽灌同井的影响

6.6 排放策略的影响

6.7 本章小结

第7章 同井回灌地下水源热泵的储能分析

7.1 常年工况分析

7.1.1 抽灌同井常年工况分析

7.1.2 单井循环系统常年工况分析

7.2 季节性储能分析

7.2.1 储能比

7.2.2 不同运行模式

7.2.3 不同地区

7.3 本章小结

结论与展望

结论

课题展望

参考文献

附录A 抽灌同井井筒换热

附录B 源汇井负荷计算

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历