水源熱泵地下THCB耦合運(yùn)移機(jī)理研究

針對(duì)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(chǎng)相互作用和環(huán)境負(fù)效應(yīng)等問(wèn)題，首先在數(shù)值模擬方法入手，把地下水滲流、熱量運(yùn)移、溶質(zhì)運(yùn)移、反應(yīng)動(dòng)力方程、井抽灌模型結(jié)合起來(lái)，提出了地下土-水系統(tǒng)流熱固化（THCM）耦合過(guò)程算法，解決連續(xù)變溫流體注入引發(fā)的多場(chǎng)耦合效應(yīng)。重點(diǎn)考慮地下水滲流對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的影響，采用差分格式開(kāi)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(guò)算例驗(yàn)證。依據(jù)質(zhì)量能量動(dòng)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(yùn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)際資料，研究水源熱泵運(yùn)行中水文地質(zhì)參數(shù)、負(fù)荷、源匯、熱容對(duì)地溫場(chǎng)的影響。根據(jù)其分布、密度和時(shí)間，開(kāi)展地下系統(tǒng)熱平衡、化學(xué)平衡的遠(yuǎn)景模擬以及熱貫通、熱污染、長(zhǎng)期抽灌對(duì)環(huán)境負(fù)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(chǎng)地對(duì)水源熱泵運(yùn)行造成巨大影響，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)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(duì)目前地源熱泵應(yīng)用方面的客觀需求，開(kāi)發(fā)了基于C#的淺層地?zé)崮苜Y源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。并針對(duì)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(jì)算研究。 本項(xiàng)目還成功研制了水源熱泵的室內(nèi)模擬儀，并開(kāi)展了長(zhǎng)期的換熱介質(zhì)連續(xù)換溫條件下多物理場(chǎng)耦合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試變溫情況下水化學(xué)場(chǎng)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(cè)試的差異性，三年來(lái)先后在黑龍江、遼寧、上海等地先后開(kāi)展了大量的室內(nèi)、外巖土介質(zhì)熱物性測(cè)試，其中現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)共16組，室內(nèi)巖土熱物性測(cè)試300多組，在大量的試驗(yàn)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(cè)試成果的相關(guān)性規(guī)律，相關(guān)研究目前國(guó)內(nèi)、外尚未開(kāi)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(zhǎng)春的9組抽水試驗(yàn)和SLUG試驗(yàn)成果，系統(tǒng)研究了SLUG方法在我國(guó)中高滲透含水層中測(cè)試適用性和準(zhǔn)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(jiǎn)便確定提供理論基礎(chǔ)。致力于各類(lèi)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用研究，參與編制了1：800萬(wàn)亞洲地?zé)岱植紙D和3000m亞洲地溫場(chǎng)略圖，為我國(guó)和亞洲的各類(lèi)地?zé)衢_(kāi)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(guó)家能源局行業(yè)規(guī)范“核電廠水文地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范”，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將為社會(huì)服務(wù) 2100433B

針對(duì)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(chǎng)相互作用和環(huán)境負(fù)效應(yīng)等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)研究水源熱泵地下THCB耦合運(yùn)移機(jī)理以及參數(shù)的影響，把滲流、熱量運(yùn)移、溶質(zhì)運(yùn)移、Verhults方程、反應(yīng)動(dòng)力方程、井抽灌模型結(jié)合起來(lái)，依據(jù)質(zhì)量能量動(dòng)量守恒，建立相應(yīng)數(shù)值模型，仿真研究系統(tǒng)換熱場(chǎng)、滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、微生物場(chǎng)的變異。此外對(duì)關(guān)鍵性設(shè)計(jì)指標(biāo)如井參數(shù)、滲流、負(fù)荷、水溫、水質(zhì)等進(jìn)行理論分析，研究其對(duì)COP的影響, 研究離子氧化、沉淀、溶解等化學(xué)反應(yīng)過(guò)程以及菌群富集和分布，尋找對(duì)流彌散效應(yīng)與熱傳導(dǎo)關(guān)系，計(jì)算 Peclet值，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證本研究的理論模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料，研究水源熱泵運(yùn)行中水文工程地質(zhì)參數(shù)、負(fù)荷、源匯、熱容對(duì)地溫場(chǎng)的影響。根據(jù)其分布、密度和時(shí)間，開(kāi)展地下系統(tǒng)熱平衡、化學(xué)平衡、微生態(tài)平衡的遠(yuǎn)景模擬以及熱貫通、熱污染、長(zhǎng)期抽灌對(duì)環(huán)境負(fù)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(kāi)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(huì)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(wèn)題。本項(xiàng)目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動(dòng)及換熱理論與溶質(zhì)運(yùn)移理論，對(duì)海水運(yùn)移過(guò)程中海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定流抽水實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)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(yùn)移數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同工況下地下水速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。研究在滲濾取水的過(guò)程中，地下含水層速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)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(duì)地下含水層內(nèi)流場(chǎng)分布的影響，地下含水層內(nèi)的換熱過(guò)程對(duì)取水溫度的影響，以及海水運(yùn)移過(guò)程對(duì)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(jì)提供理論依據(jù)。

在多種環(huán)境巖土工程項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)機(jī)理中，都包含了兩類(lèi)過(guò)程，一是物理化學(xué)過(guò)程（主要是污染物的運(yùn)移過(guò)程和污染物的稀釋過(guò)程）,二是巖土體的力學(xué)變化過(guò)程（主要是滲流過(guò)程和固結(jié)過(guò)程）。過(guò)去環(huán)境專(zhuān)業(yè)和土力學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)者們分別作了很多研究，但對(duì)兩類(lèi)過(guò)程的相互耦合作用研究不夠。需要對(duì)基本理論、描述方程、基本參數(shù)和工程規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本項(xiàng)目擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、理論建模和數(shù)值模擬對(duì)土體固結(jié)變形和污染物運(yùn)移耦合模型進(jìn)行研究，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蚩紤]固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移的影響，建立比奧固結(jié)理論與污染物運(yùn)移理論相耦合模型，并用數(shù)值方法進(jìn)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(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該項(xiàng)目的研究對(duì)于軟弱土層地區(qū)或堆場(chǎng)防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及環(huán)境安全性評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。