水源热泵地下THCB耦合运移机理研究

针对目前水源热泵技术中阻塞、腐蚀、热贯通、井功耗以及忽略地下多场相互作用和环境负效应等问题，实验研究水源热泵地下THCB耦合运移机理以及参数的影响，把渗流、热量运移、溶质运移、Verhults方程、反应动力方程、井抽灌模型结合起来，依据质量能量动量守恒，建立相应数值模型，仿真研究系统换热场、渗流场、化学场、微生物场的变异。此外对关键性设计指标如井参数、渗流、负荷、水温、水质等进行理论分析，研究其对COP的影响, 研究离子氧化、沉淀、溶解等化学反应过程以及菌群富集和分布，寻找对流弥散效应与热传导关系，计算 Peclet值，通过现场试验验证本研究的理论模型和优化设计途径。结合现场资料，研究水源热泵运行中水文工程地质参数、负荷、源汇、热容对地温场的影响。根据其分布、密度和时间，开展地下系统热平衡、化学平衡、微生态平衡的远景模拟以及热贯通、热污染、长期抽灌对环境负影响，为水源热泵应用提供科学依据。

针对目前水源热泵技术中阻塞、热贯通、井功耗以及忽略地下多场相互作用和环境负效应等问题，首先在数值模拟方法入手，把地下水渗流、热量运移、溶质运移、反应动力方程、井抽灌模型结合起来，提出了地下土-水系统流热固化（THCM）耦合过程算法，解决连续变温流体注入引发的多场耦合效应。重点考虑地下水渗流对地源热泵系统运行的影响，采用差分格式开发了考虑地下水渗流的地下交换器热响应数值模拟软件，并通过算例验证。依据质量能量动量守恒，建立相应数值模型，给出了含水层流热（TH）耦合效应和多井抽灌条件下水源热泵运行预测，结合实际资料，研究水源热泵运行中水文地质参数、负荷、源汇、热容对地温场的影响。根据其分布、密度和时间，开展地下系统热平衡、化学平衡的远景模拟以及热贯通、热污染、长期抽灌对环境负影响，为水源热泵应用提供科学依据。 研究中还发现存在天然冷源的场地对水源热泵运行造成巨大影响，通过室内外试验和数值模拟研究，确定了天然冷源影响水源热泵的相关规律。针对目前地源热泵应用方面的客观需求，开发了基于C#的浅层地热能资源数据管理系统。并针对传统Sarma方法的不足，研发了Sarma法在不同方位地震力下的计算研究。.本项目还成功研制了水源热泵的室内模拟仪，并开展了长期的换热介质连续换温条件下多物理场耦合室内实验研究，测试变温情况下水化学场的演变规律，尤其是Ca2+、Mg2+离子浓度的变化。考虑到目前地源热泵技术中室内、外岩土热物性测试的差异性，三年来先后在黑龙江、辽宁、上海等地先后开展了大量的室内、外岩土介质热物性测试，其中现场热响应试验共16组，室内岩土热物性测试300多组，在大量的试验研究基础上，基于层次分析法结合数值模拟分析，提出了浅层岩土室内、外热物性测试成果的相关性规律，相关研究目前国内、外尚未开展，属于创新成果。为了确定水源热泵的水文地质参数，我们结合哈尔滨、长春的9组抽水试验和SLUG试验成果，系统研究了SLUG方法在我国中高渗透含水层中测试适用性和准确性，为SLUG技术的推广和水源热泵水文地质参数的简便确定提供理论基础。致力于各类地热能开发利用研究，参与编制了1：800万亚洲地热分布图和3000m亚洲地温场略图，为我国和亚洲的各类地热开发提供基础。参与编制了辽宁省地方规程“矿山地质环境治理技术规程”和国家能源局行业规范“核电厂水文地质调查与评价技术规范”，这些技术标准将为社会服务