渗滤取水技术在海水源热泵系统中的应用研究

论文摘要

海水温度是决定海水源热泵空调系统的重要参数。天津沿海地质为典型的淤泥质海岸,近海岸海水较浅,冬季海水温度较低,因此不宜直接用作为海水源热泵空调系统的热源/汇。海岸井渗滤取水技术在海水源热泵空调系统中的应用有助于解决上述一系列问题。以海岸井渗滤取水技术在海水源热泵空调系统中的应用为工程背景,重点研究两方面的内容,即有界含水层中完整海岸井取水系统渗流换热性能的实验研究与相关理论研究。现场搭建海岸井渗滤取水实验系统,进行抽水和停水实验,并在此基础上对实验数据进行处理,得到一些基本的水文地质参数和渗流过程中海水与土壤换热的特点,为理论建模提供必要的数据资料,同时也为数值理论模型验证提供依据。结合实验系统,在多孔介质渗流换热理论的基础上,建立物理模型和数学模型,并采用数值模拟软件Fluent,对发生在海水渗流换热过程的地下渗流场和温度场变化进行理论分析,为进一步探讨海岸井取水系统的渗流换热性能奠定基础。在经验证的理论模型上,通过变换各个单值性条件参数,对该系统渗流换热特点进行深入研究,并提出有限含水层中完整海岸井渗滤取水系统的优化设计建议。最后将海岸井渗滤取水技术和实际海水源热泵空调工程相结合,设计经优化后的取水系统,并对供水水温作出冬夏季预测,进而在其基础上分析采用海岸井渗滤取水技术的海水源热泵空调系统的经济性,为其它类似工程提供设计参考依据。研究结果表明,海岸井渗滤取水可以为海水源热泵空调系统在冬季提供较地表海水温度高的热源,夏季较地表海水温度低的热汇,因此采用渗滤取水比直接取水的海水源热泵空调系统运行效率高。通过对海岸井渗滤取水系统的优化设计,可以减少系统综合成本。此外,渗滤取水水质较好,可以不用进行防海生物处理和减少对海水含砂量的处理,有利于节约海水预处理费用。在环境影响方面,渗滤取水比直接表面取水对海水自然水体的影响小。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 渗滤取水技术在国内外的研究现状
• 1.2.1 国外研究
• 1.2.2 国内研究
• 1.3 多孔介质中流体流动和换热研究现状
• 1.3.1 国外研究
• 1.3.2 国内研究
• 1.4 主要工作及创新点
• 1.4.1 主要工作
• 1.4.2 创新点
• 1.5 论文结构
• 第二章 天津沿海水文地质条件
• 2.1 海水水温分布及变化特点
• 2.1.1 二十米水深海水水温分布
• 2.1.2 五米水深海水水温分布
• 2.1.3 海水温度一天内的变化
• 2.2 地层温度分布及变化特点
• 2.2.1 浅层土壤温度变化实测
• 2.2.2 浅层土壤温度日变化模拟
• 2.2.3 地下含水层温度实测
• 2.3 天津沿海地质概况
• 2.3.1 远岸海底地质勘测
• 2.3.2 近海海岸地质勘测
• 2.4 海岸井渗滤取水系统
• 2.4.1 海岸井渗滤取水系统构建
• 2.4.2 海岸井渗滤取水在海水源热泵系统中的应用原理
• 2.4.3 海岸井渗滤取水应用的必要性和可行性
• 2.5 小结
• 第三章 海岸井渗滤取水实验研究
• 3.1 实验系统
• 3.1.1 实验地点水文地质条件勘测
• 3.1.2 实验系统搭建
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 实验室测试
• 3.2.2 现场测试
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 变流量水位变化
• 3.3.2 定流量水位变化
• 3.3.3 土壤层垂直温度分布
• 3.3.4 含水层水平温度分布
• 3.4 小结
• 第四章 海岸井渗滤取水理论研究
• 4.1 多孔介质模型
• 4.1.1 流体流动基本方程
• 4.1.2 热量运移数学模型
• 4.1.3 常用模拟软件和数值方法
• 4.2 Fluent解决多孔介质中渗流换热问题的基础
• 4.2.1 Fluent提供的多孔介质模型
• 4.2.2 Fluent提供的用户自定义函数
• 4.3 海岸井渗滤取水模型建立
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 网格划分
• 4.3.3 边界条件
• 4.3.4 初始条件
• 4.3.5 物性条件
• 4.4 数值模拟
• 4.4.1 抽水过程模拟
• 4.4.2 停水过程模拟
• 4.5 理论模型的实验验证
• 4.6 供水水温预测
• 4.7 小结
• 第五章 海岸井取水渗流换热性能研究
• 5.1 渗滤取水系统出水量的影响因素分析
• 5.1.1 含水层水理特性参数对出水量的影响
• 5.1.2 渗滤取水系统构造对出水量的影响
• 5.2 渗滤取水系统出水量对供水水温的影响分析
• 5.3 抽水时间对海岸井取水系统供水水温的影响分析
• 5.3.1 有限抽水时间对供水水温的影响
• 5.3.2 间歇抽水对供水水温的影响
• 5.4 海水温度对海岸井取水系统供水水温的影响分析
• 5.5 井参数对渗滤取水系统供水水温的影响分析
• 5.5.1 井的位置
• 5.5.2 井的直径
• 5.5.3 井的数量
• 5.6 优化设计
• 5.6.1 优化原则
• 5.6.2 技术优化
• 5.6.3 经济优化
• 5.6.4 优化结果
• 5.7 小结
• 第六章 海岸井渗滤取水在实际热泵工程中的应用
• 6.1 工程概况
• 6.2 供水水温预测
• 6.3 经济性分析
• 6.4 环境影响分析
• 6.4.1 抽水影响
• 6.4.2 排水影响
• 6.5 常见问题分析
• 6.5.1 防海生物附着
• 6.5.2 防海水腐蚀
• 6.5.3 除砂问题
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢