单井循环地下换热系统地下水流动及其传热特性研究

摘要

单井循环地下换热系统作为一种新型的地下水源热泵系统热源井，目前共有三种形式，即循环单井、抽灌同井和填砾同井。它们均将抽水管和回水管置于一口井内，在井的下部抽水，上部回水。循环单井是在基岩层中直接开孔，大部分水在井孔之内循环，与井壁发生热量交换；少部分水进入井孔，并进入含水层与其进行原水交换；抽灌同井在井孔内部加设了隔板，将热源井分为三个部分，上部为回水区，中间为隔断区，下部为抽水区；填砾同井的形式和抽灌同井类似，不同之处在于，填砾同井的井孔较井管的直径要大很多，其空隙采用分选性较好的砾石进行回填。本文针对以上三种热源井开展了相关的理论和实验研究工作，主要研究工作及结果如下：
　　设计并搭建了单井循环地下换热系统的物理模拟砂箱实验台，选取了实验测量仪器和数据采集系统，计算了实验误差。结果表明，所搭建实验台的测量误差在可接受的范围之内，能够准确真实地反映物理现象。
　　通过更换不同的预制井来实验模拟三种类型热源井的特性。针对三种不同的热源井，分别进行不同抽回间距、不同初始地温和不同负荷的实验研究。并对循环单井和填砾同井进行了不同排放比例的实验研究。研究表明，增大抽回间距能够显著改善三种热源井的抽水温度、提高换热量。三种热源井中循环单井承担负荷的能力最低，抽回水温度变化最大，热影响范围最小。在取热工况下，排放能够提高循环单井和填砾同井的抽水温度及取热量，小排放比对于提高热源井承担负荷能力的效果较好，随着排放比的增加，这种改善效果减弱。
　　针对不同运行模式下抽灌同井特性进行实验研究，按照三个具有代表性的地区——北京、沈阳和上海采暖期和空调期时间分配来设计实验。实验包括四种工况，即连续取热、连续放热、先夏后冬和先冬后夏。研究表明，抽灌同井在寒冷地区运行过程中，系统在该实验条件下，仅靠自然恢复期内的恢复，地下含水层不能使自身恢复至最初状态。必须采用辅助设备，对地下含水层进行热量补给，保证系统长期可靠的运行。在冷热负荷相当的地区，采用先夏后冬的运行模式，可以提高系统运行的稳定性；在寒冷地区应先进行放热工况，继而进行取热工况，保持热源井的抽水温度处在较高水平。相反，在较暖和地区则应先进行取热工况，保持热源井的抽水温度处在较低水平。
　　建立了多区域耦合 CFD仿真模型。通过纳维-斯托克斯方程和伯努利方程对多孔介质中运动方程进行分析推导，得到了多孔介质内的流动模型，并通过实验确定了该流动模型中的经验系数。利用单井循环地下换热系统砂箱实验台测得的实验数据对数值模拟结果进行了对比，验证了仿真模型的准确性。
　　针对三种热源井进行了不同孔隙度、不同初始地温及不同抽水流量三个方面的仿真研究，并分析了三种热源井含水层的流场以及不同流量下的温度场变化情况。研究表明，孔隙度对含水层参与换热较多的抽灌同井和填砾同井影响稍大，对循环单井的影响则较小，但总体上看孔隙度对三种热源井的特性影响不大。抽水流量对单井循环地下换热系统的影响较大，增大抽水流量使得三种热源井的抽水温度变化加大，并能显著提高热源井的热影响范围。初始地温的变化并不影响含水层温度的变化趋势，抽水温度的变化趋势也几乎相同，只是各工况间存在一定温差。但提高初始地温能够显著提高热源井的平均抽水温度和累计取热量，可见初始地温是影响单井循环地下换热系统的关键因素之一。
　　本文为国家自然科学基金“单井循环地下换热系统多流态流动与传热耦合机理研究”(41002085)的部分研究内容。本文的研究工作，为全面的掌握单井循环地下换热系统的运行特性、为该系统的设计及应用提供了重要的理论基础和技术储备。

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英文摘要

物理名称及符号表

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 本文的主要工作

第2章 单井循环地下换热系统实验台

2.1 引言

2.2 实验台的物理模型

2.3 实验台的搭建

2.4 实验台的测试系统

2.5 实验方案

2.6 实验误差分析

2.7 本章小结

第3章 单井循环地下换热系统热力特性实验研究

3.1 引言

3.2 抽回间距对热力特性的影响

3.3 初始地温对热力特性的影响

3.4 取热负荷对热力特性的影响

3.5 排放对热力特性的影响

3.6 本章小结

第4章 不同运行模式下抽灌同井特性实验研究

4.1 引言

4.2 连续取热的实验特性

4.3 连续放热的实验特性

4.4 系统在北京地区的实验特性

4.5 系统在沈阳地区的实验特性

4.6 系统在上海地区的实验特性

4.7 本章小结

第5章 单井循环地下换热系统仿真模型及其验证

5.1 引言

5.2 含水层热流动模型的构建

5.3 多孔介质运动方程的理论推导

5.4 多区域耦合模型的建立

5.5 模型验证

5.6 本章小结

第6章 单井循环地下换热系统仿真研究

6.1 引言

6.2 孔隙度的影响

6.3 抽水流量的影响

6.4 初始地温的影响

6.5 三种热源井的流场分析

6.6 三种热源井的温度场分析

6.7 本章小结

结论与展望

结论

创新点

建议与展望

参考文献

附录 单井循环地下换热系统Profile文件

A. 循环单井

B. 抽灌同井

C. 填砾同井

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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