水源熱泵地下THCB耦合運移機理研究結(jié)題摘要

針對目前水源熱泵技術(shù)中阻塞、熱貫通、井功耗以及忽略地下多場相互作用和環(huán)境負效應(yīng)等問題，首先在數(shù)值模擬方法入手，把地下水滲流、熱量運移、溶質(zhì)運移、反應(yīng)動力方程、井抽灌模型結(jié)合起來，提出了地下土-水系統(tǒng)流熱固化（THCM）耦合過程算法，解決連續(xù)變溫流體注入引發(fā)的多場耦合效應(yīng)。重點考慮地下水滲流對地源熱泵系統(tǒng)運行的影響，采用差分格式開發(fā)了考慮地下水滲流的地下交換器熱響應(yīng)數(shù)值模擬軟件，并通過算例驗證。依據(jù)質(zhì)量能量動量守恒，建立相應(yīng)數(shù)值模型，給出了含水層流熱（TH）耦合效應(yīng)和多井抽灌條件下水源熱泵運行預(yù)測，結(jié)合實際資料，研究水源熱泵運行中水文地質(zhì)參數(shù)、負荷、源匯、熱容對地溫場的影響。根據(jù)其分布、密度和時間，開展地下系統(tǒng)熱平衡、化學(xué)平衡的遠景模擬以及熱貫通、熱污染、長期抽灌對環(huán)境負影響，為水源熱泵應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。?研究中還發(fā)現(xiàn)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(nèi)外試驗和數(shù)值模擬研究，確定了天然冷源影響水源熱泵的相關(guān)規(guī)律。針對目前地源熱泵應(yīng)用方面的客觀需求，開發(fā)了基于C#的淺層地熱能資源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。并針對傳統(tǒng)Sarma方法的不足，研發(fā)了Sarma法在不同方位地震力下的計算研究。 本項目還成功研制了水源熱泵的室內(nèi)模擬儀，并開展了長期的換熱介質(zhì)連續(xù)換溫條件下多物理場耦合室內(nèi)實驗研究，測試變溫情況下水化學(xué)場的演變規(guī)律，尤其是Ca2 、Mg2 離子濃度的變化?？紤]到目前地源熱泵技術(shù)中室內(nèi)、外巖土熱物性測試的差異性，三年來先后在黑龍江、遼寧、上海等地先后開展了大量的室內(nèi)、外巖土介質(zhì)熱物性測試，其中現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗共16組，室內(nèi)巖土熱物性測試300多組，在大量的試驗研究基礎(chǔ)上，基于層次分析法結(jié)合數(shù)值模擬分析，提出了淺層巖土室內(nèi)、外熱物性測試成果的相關(guān)性規(guī)律，相關(guān)研究目前國內(nèi)、外尚未開展，屬于創(chuàng)新成果。為了確定水源熱泵的水文地質(zhì)參數(shù)，我們結(jié)合哈爾濱、長春的9組抽水試驗和SLUG試驗成果，系統(tǒng)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(shù)的推廣和水源熱泵水文地質(zhì)參數(shù)的簡便確定提供理論基礎(chǔ)。致力于各類地熱能開發(fā)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(fā)提供基礎(chǔ)。參與編制了遼寧省地方規(guī)程“礦山地質(zhì)環(huán)境治理技術(shù)規(guī)程”和國家能源局行業(yè)規(guī)范“核電廠水文地質(zhì)調(diào)查與評價技術(shù)規(guī)范”，這些技術(shù)標準將為社會服務(wù) 2100433B

針對目前水源熱泵技術(shù)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(huán)境負效應(yīng)等問題，實驗研究水源熱泵地下THCB耦合運移機理以及參數(shù)的影響，把滲流、熱量運移、溶質(zhì)運移、Verhults方程、反應(yīng)動力方程、井抽灌模型結(jié)合起來，依據(jù)質(zhì)量能量動量守恒，建立相應(yīng)數(shù)值模型，仿真研究系統(tǒng)換熱場、滲流場、化學(xué)場、微生物場的變異。此外對關(guān)鍵性設(shè)計指標如井參數(shù)、滲流、負荷、水溫、水質(zhì)等進行理論分析，研究其對COP的影響, 研究離子氧化、沉淀、溶解等化學(xué)反應(yīng)過程以及菌群富集和分布，尋找對流彌散效應(yīng)與熱傳導(dǎo)關(guān)系，計算 Peclet值，通過現(xiàn)場試驗驗證本研究的理論模型和優(yōu)化設(shè)計途徑。結(jié)合現(xiàn)場資料，研究水源熱泵運行中水文工程地質(zhì)參數(shù)、負荷、源匯、熱容對地溫場的影響。根據(jù)其分布、密度和時間，開展地下系統(tǒng)熱平衡、化學(xué)平衡、微生態(tài)平衡的遠景模擬以及熱貫通、熱污染、長期抽灌對環(huán)境負影響，為水源熱泵應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

海水源熱泵系統(tǒng)是開發(fā)利用海洋熱能的有效方式之一。但是在部分沿海地區(qū)的應(yīng)用會受到淤泥型地質(zhì)條件及氣候條件的限制。應(yīng)用滲濾取水技術(shù)可以解決這一難題，卻有可能影響取水量、取水溫度，甚至引起海水入侵問題。本項目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動及換熱理論與溶質(zhì)運移理論，對海水運移過程中海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運移規(guī)律進行研究。通過現(xiàn)場穩(wěn)定流抽水實驗及實驗室分析，獲取水文地質(zhì)參數(shù)。建立海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運移數(shù)學(xué)模型，對不同工況下地下水速度場、溫度場、濃度場分布進行數(shù)值模擬。研究在滲濾取水的過程中，地下含水層速度場、溫度場、濃度場分布，分析海岸井位置、取水流速、溫度、滲透系數(shù)、孔隙度、彌散度等參數(shù)對地下含水層內(nèi)流場分布的影響，地下含水層內(nèi)的換熱過程對取水溫度的影響，以及海水運移過程對地下含水層溶質(zhì)濃度分布的影響。為滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

在多種環(huán)境巖土工程項目的運營機理中，都包含了兩類過程，一是物理化學(xué)過程（主要是污染物的運移過程和污染物的稀釋過程）,二是巖土體的力學(xué)變化過程（主要是滲流過程和固結(jié)過程）。過去環(huán)境專業(yè)和土力學(xué)專業(yè)的學(xué)者們分別作了很多研究，但對兩類過程的相互耦合作用研究不夠。需要對基本理論、描述方程、基本參數(shù)和工程規(guī)律進行系統(tǒng)性的研究。本項目擬通過室內(nèi)試驗、理論建模和數(shù)值模擬對土體固結(jié)變形和污染物運移耦合模型進行研究，室內(nèi)試驗?zāi)軌蚩紤]固結(jié)變形對污染物運移的影響，建立比奧固結(jié)理論與污染物運移理論相耦合模型，并用數(shù)值方法進行求解得出所建模型的數(shù)值解,從而揭示污染物在變形土體中的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該項目的研究對于軟弱土層地區(qū)或堆場防滲系統(tǒng)的設(shè)計以及環(huán)境安全性評價具有重要的理論意義和實用價值。