论文部分内容阅读
地下水源热泵是抽取浅层地下恒温水作为低位热源，经热交换后回灌到同一含水层的一种地热利用技术。近年来，随着能源的日益紧张和环境危机的加剧，国际社会对可持续发展的要求越来越明确，节能减排是今后发展的重要方向。在这个大背景下，绿色环保、可再生能源是开发新能源的最好选择。地下水源热泵正是以它高效率、低排放、可再生的优点得到了世界各国的重视，我国近年来也在大力发展。
对地下恒温热水的抽灌会导致地下含水层渗流场、温度场的剧烈变化。而以地下含水层为生存环境的微生物更是会受到极大的影响。本文以此为研究背景，讨论了地源热泵回灌系统中的THB(温度场—渗流场—微生物场)三场耦合问题:
根据已有的水热耦合模型，以武汉某小区地下水源热泵回灌资料为初边界条件和参数取值依据，分别模拟了热泵在制冷季和取暖季温度场在不同时间点的空间分布。发现:到回灌季末，温度场还远未达到稳定态，也即在回灌期间温度是随时间在空间上不断变化的。因此如果考虑温度对微生物生长的影响则需要使用当地温度的瞬时值来衡量。
从理论上分析了微生物在含水层中输运的涉及的一系列生化物理过程以及与之相关的因素。以此为依据建立了通过分析微小六面体控制体，推导了一般条件下的微生物在多孔介质中输运的控制方程。针对地下水源热泵回灌条件下含水层中温度场空间分布随时间剧烈变化，从而也严重影响微生物生长，本文引入了Arrhenius方程来表征温度对微生物比生长速率的影响，并对其合理性进行了理论说明。将Arrhenius方程与吸附动力学公式代入微生物输运公式中，并联立水热耦合方程，得到微生物迁移控制方程组。取武汉某小区现场资料作为模拟区域的出边界条件，模拟发现:
(1)制冷季(夏季运行期)和取暖季(冬季运行期)同一点处微生物浓度随系统运行时间延长而持续增长，但夏季的增长速率要明显高过冬季。
(2)同一时间点，夏季运行期微生物浓度在沿着回灌井径向上先增大后减小，也即微生物浓度在距离井壁一段距离处取得峰值;而冬季运行期微生物浓度在沿着回灌井径向上持续减小，微生物浓度在距离井壁处取得峰值。对比冬、夏运行期微生物浓度空间分布发现，经历相同回灌时间后，微生物影响范围在夏季要比冬季大很多。
(3)耦合作用对冬夏运行期微生物浓度分布均有影响:相同条件下，考虑耦合作用时夏季运行期微生物浓度比不考虑耦合情况下要高，而冬季运行期微生物浓度要低。从影响范围来看，在回灌进行半天、一天、十天、一个月、四个月时，夏季运行期耦合条件下和非耦合条件下影响范围分别是:18米与15米、25米与20米、120米与100米、200米与150米、500米与400米;而冬季运行期耦合条件下和非耦合条件下影响范围分别是:10米与15米、15米与20米、40米与100米、800米与150米、100米与400米。
(4)通过分析微生物浓度分布对回灌水流条件的敏感性，得知:在夏季回灌条件下，同一时间点，同一点处微生物浓度随回灌流量增大而增大;浓度峰值随流量增大而增大且在更远处取得;微生物影响范围(以大于1000cfu/m3为界)随流量增大而增大。