水源熱泵地下THCB耦合運移機理研究

《水源熱泵地下THCB耦合運移機理研究》是依託吉林大學，由張延軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水源熱泵地下THCB耦合運移機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張延軍
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

針對目前水源熱泵技術中阻塞、腐蝕、熱貫通、井功耗以及忽略地下多場相互作用和環境負效應等問題，實驗研究水源熱泵地下THCB耦合運移機理以及參數的影響，把滲流、熱量運移、溶質運移、Verhults方程、反應動力方程、井抽灌模型結合起來，依據質量能量動量守恆，建立相應數值模型，仿真研究系統換熱場、滲流場、化學場、微生物場的變異。此外對關鍵性設計指標如井參數、滲流、負荷、水溫、水質等進行理論分析，研究其對COP的影響, 研究離子氧化、沉澱、溶解等化學反應過程以及菌群富集和分布，尋找對流彌散效應與熱傳導關係，計算 Peclet值，通過現場試驗驗證本研究的理論模型和最佳化設計途徑。結合現場資料，研究水源熱泵運行中水文工程地質參數、負荷、源匯、熱容對地溫場的影響。根據其分布、密度和時間，開展地下系統熱平衡、化學平衡、微生態平衡的遠景模擬以及熱貫通、熱污染、長期抽灌對環境負影響，為水源熱泵套用提供科學依據。

結題摘要

針對目前水源熱泵技術中阻塞、熱貫通、井功耗以及忽略地下多場相互作用和環境負效應等問題，首先在數值模擬方法入手，把地下水滲流、熱量運移、溶質運移、反應動力方程、井抽灌模型結合起來，提出了地下土-水系統流熱固化（THCM）耦合過程算法，解決連續變溫流體注入引發的多場耦合效應。重點考慮地下水滲流對地源熱泵系統運行的影響，採用差分格式開發了考慮地下水滲流的地下交換器熱回響數值模擬軟體，並通過算例驗證。依據質量能量動量守恆，建立相應數值模型，給出了含水層流熱（TH）耦合效應和多井抽灌條件下水源熱泵運行預測，結合實際資料，研究水源熱泵運行中水文地質參數、負荷、源匯、熱容對地溫場的影響。根據其分布、密度和時間，開展地下系統熱平衡、化學平衡的遠景模擬以及熱貫通、熱污染、長期抽灌對環境負影響，為水源熱泵套用提供科學依據。 研究中還發現存在天然冷源的場地對水源熱泵運行造成巨大影響，通過室內外試驗和數值模擬研究，確定了天然冷源影響水源熱泵的相關規律。針對目前地源熱泵套用方面的客觀需求，開發了基於C#的淺層地熱能資源數據管理系統。並針對傳統Sarma方法的不足，研發了Sarma法在不同方位地震力下的計算研究。 本項目還成功研製了水源熱泵的室內模擬儀，並開展了長期的換熱介質連續換溫條件下多物理場耦合室內實驗研究，測試變溫情況下水化學場的演變規律，尤其是Ca2+、Mg2+離子濃度的變化。考慮到目前地源熱泵技術中室內、外岩土熱物性測試的差異性，三年來先後在黑龍江、遼寧、上海等地先後開展了大量的室內、外岩土介質熱物性測試，其中現場熱回響試驗共16組，室內岩土熱物性測試300多組，在大量的試驗研究基礎上，基於層次分析法結合數值模擬分析，提出了淺層岩土室內、外熱物性測試成果的相關性規律，相關研究目前國內、外尚未開展，屬於創新成果。為了確定水源熱泵的水文地質參數，我們結合哈爾濱、長春的9組抽水試驗和SLUG試驗成果，系統研究了SLUG方法在我國中高滲透含水層中測試適用性和準確性，為SLUG技術的推廣和水源熱泵水文地質參數的簡便確定提供理論基礎。致力於各類地熱能開發利用研究，參與編制了1：800萬亞洲地熱分布圖和3000m亞洲地溫場略圖，為我國和亞洲的各類地熱開發提供基礎。參與編制了遼寧省地方規程“礦山地質環境治理技術規程”和國家能源局行業規範“核電廠水文地質調查與評價技術規範”，這些技術標準將為社會服務