海水源热泵大区域多井取水系统渗流换热机制研究

Seawater Source Heat Pump (SWHP) systems require an auxiliary heat source in the cold climate area with extreme weather conditions. The Beach Well Infiltration Intake System (BWIS) provides an integrated renewable energy system that uses seawater and underground thermal energy to improve stability, reliability and energy efficiency of SWHP systems in cold climate area. The seepage and heat transfer area of a multi-well infiltration intake system is large. While there are numerous design schemes for the multi-well systems, studies on large-scale regions require lengthy numerical simulation times. The seepage heat transfer field of the underground seawater in porous rock under the multi-well infiltration intake is unclear and it is difficult to determine correlations between the numerous influencing factors. In this project, the reflection method and superposition principle will be employed to establish fast-solving large-area seepage and heat transfer models for a multi-well infiltration intake system. Then, a similitude-criterion formula for the multi-well system will be proposed by similarity theory analysis and similar experiments. Finally, the influence mechanism of the seepage and heat transfer of the multi-well system will be studied. This study will provide scientific theoretical basis for the optimal design of the large-area seepage and heat transfer of the multi-well infiltration intake systems.

我国寒冷地区海水源热泵系统的运行受到海水温度、气候条件等多方面影响，使其正常稳定运行需要复合其它能源。海岸井取水海水源热泵系统综合利用海水和地下岩土热能，提高了系统的安全性、稳定性和运行效率。而大区域多井取水系统中海水与地下岩土的渗流换热所涉及的地块尺寸大，且多井设计方案的可能性众多，数值计算时间长，不易明确多井协同作用下的地下海水在多孔介质中的渗流换热场以及影响因素之间的内在关系，是整个系统设计的重点和难点。本项目通过对大区域多井取水系统渗流换热机制的研究，引入映射和叠加原理建立一种三维半解析且能够快速求解的大区域多井取水系统渗流换热数学模型，用以解决多井建模方面的难点，减少计算时间。通过对模型的相似理论分析和相似模型实验建立能够准确描述多井取水渗流换热规律的通用准则关联式，研究多井取水系统渗流换热影响机制，为海水源热泵多井取水系统的优化设计提供科学理论基础。

我国寒冷地区海水源热泵系统的运行受到海水温度、气候条件等多方面影响，使其正常稳定运行需要复合其它能源。海岸井取水海水源热泵系统综合利用海水和地下岩土热能，提高了系统的安全性、稳定性和运行效率。而大区域多井取水系统中海水与地下岩土的渗流换热所涉及的地块尺寸大，且多井设计方案的可能性众多，数值计算时间长，不易明确多井协同作用下的地下海水在多孔介质中的渗流换热场以及影响因素之间的内在关系，是整个系统设计的重点和难点。本项目在水平面研究中，引入映射和叠加原理构建了大区域多井取水系统渗流换热模型，减少了多方案海岸井设计研究数值计算方法所需计算时间。在垂直面研究中，以达西定律为基础，嵌入VG滞留模型作为本构方程，构建了海岸井垂直剖面非饱和多孔介质气-液两相渗流模型。通过对建立的模型进行相似理论分析构建了海岸井取水系统渗流换热相似理论模型，导得了新的相似准则数：流量准则数D和井位置准则数R，基于相似实验数据，得到了呈指数关系的半经验准则关联式。最后，对大连某海岸井多井取水海水源热泵工程的供冷和供暖运行工况进行了实测，分别研究了海岸井参数对渗流换热场的影响，将理论与实践相结合，为海水源热泵多井取水系统优化设计提供科学理论依据。