地下水源热泵系统井群优化与机组性能实验研究

摘要

人类进入21世纪,全世界范围内比以往任何时候都要关注能源、环境和可持续发展之间的关系。要实现可持续发展,必须尽可能地利用清洁的可再生能源,提高能耗的使用率。建筑能耗在国家的总能耗中占有重要的部分,发达国家的建筑能耗一般占总能耗的30％~40%,我国占26.7%。因此加大建筑节能,对我国的可持续发展战略有着重要的意义。地下水源热泵空调技术利用全年温度比较恒定的地下水作为冷热源,运行时机组效率较之其他空调系统较高,而且它可将多余的冷或热排放到土壤里,不会对大气造成热污染,有较高的环保价值和经济价值,但是这种系统仍然需要解决一些问题以便于其推广。
　　本课题研究的主要目的在于优化地下水源热泵的井群系统以及通过实验研究不同的运行机制对于地下水源热泵性能的影响。井群如何布置是地下水源热泵系统推广应用的关键问题之一,决定井群布置的理论基础是含水层水—热迁移规律。本文首先全面总结了含水层水—热迁移的模拟模型,概述了不同模型及不同的数值方法在环境、地质、暖通等领域的应用;在此基础之上,通过数值模拟试验,寻求井出口流速(流量)和井间距离对热贯通量的影响,优化井群分布;最后通过热泵性能试验,分析了井水进口温度和进出口温差对热泵性能的影响。本文通过对地下水源热泵系统的地下井群分布优化研究和地面机组性能的分析,为地下水源热泵空调系统的设计、施工与运行管理提供决策依据。
　　本文的研究内容主要有以下几个方面:
　　1.全面总结概述了地下水-热迁移模型和数值方法在环境、地质、暖通等领域的研究进展,通过分析使其成为本文研究所采用研究手段的理论基础。并且提出了通过放射性示踪这种工程试验方法研究地下水-热迁移的可行性。
　　2.提出了解耦分析井间热贯通的两步分析法。分析含水层的热迁移主要包括:(1)通过固相的热传导;(2)通过液相的热传导;(3)通过液相的热对流三个方面,通过分析含水层水-热迁移模型,得出液相的热对流即水迁移才是带来热迁移的主要原因,鉴于此,提出了两步分析法。首先,通过含水层的热扩散模型预测最小影响半径;然后,基于在稳态、不可压流场中流线和迹线重合,提出分析井间热贯通量的流线分析法,确定井群之间的热贯通程度。
　　3.根据文献[72]所提供的地质条件,数值模拟了不同进出口温差下两井间的最小影响半径;通过模拟流线图,验证了在所求最小影响半径内的确不存在任何的热贯通;通过进一步模拟得出结论:在井距不变的情况下,热贯通量会随着抽回温差的增大而下降;在抽回温差相同的情况下,热贯通量随着井距的减小而递增;同时得出了在同一进水温差下,井距和热贯通量关系的二次拟合方程。
　　4.进行了地下水源热泵机组性能实验研究,分析探讨了机组进水(井水)温度、进出口温差对水源热泵系统各个参数和性能的影响。实验结果表明,夏季(冬季)工况下,随着机组进口(井水)温度的升高,系统运行性能恶化(优化)。通过实验进一步发现,以夏季工况为例,在相同的机组进口(井水)温度条件下或随着机组进口(井水)温度的提高,机组进出口温差的增大对系统性能的影响幅度在逐渐减小。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 水源热泵的分类与特点

1.3 国内外地下水源热泵的发展历史、现状及研究热点

1.4 地下水源热泵系统研究中存在的问题

1.5 课题研究的主要内容

第二章 地下水-热迁移的研究方法

2.1 概述

2.2 地下水－热迁移数学模型及研究方法

2.3 放射性井间示踪试验技术应用于地下水水－热迁移研究

2.4 本文采用的研究方法

第三章 地下水源热泵系统井群分布优化研究

3.1研究对象

3.2回灌单井温度场的建立及结果分析

3.3 井群流场的数值模拟

3.4 流场及其热贯通影响分析

3.5 本章小结

第四章 地下水源热泵机组性能试验

4.1 本次试验设计可行性的理论分析

4.2试验目的

4.3实验平台的搭建

4.4 实验方案设计

4.5 实验数据分析

4.6 本章小结

第五章 总 结

5.1 研究工作的总结

5.2 要开展的下一步工作

致谢

参考文献

附录一 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录