多场耦合作用下跨季节地下含水层储能特性研究

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自然对流的耦合作用增加了较高温度跨季节储能含水层中水动力场和温度场演化的复杂度,其作用机理需进一步的研究。本文即借助理论分析和数值模拟,基于多场耦合关联性,开展较高温度储能含水层中水动力场和温度场演变特性的参数敏感性分析,探索规模化含水层储能中井群布局设计的优选方案,分析原始地下水流对含水层中温度和流动分布特性的影响,给出容许的原始地下水流流速。(1)针对实际应用的典型对井含水层储能系统,开展了多周期运行性能模拟计算,分析了水动力场和温度场迁移、演化对于水文地质条件和设计运行参数的敏感性,揭示了储能含水层中水动力场和温度场的迁移演化机理:对于较高温度的储能(>30℃),本文基础研究工况下,采用渗透率介于1.27×10-10-6.35×10-12m~2的含水层较为合适;含水层的热弥散度应小于20 m;含水层厚度应保证无量纲比值Rth/H1为4左右;井间距应不低于3.5Rth,以控制系统运行后期的热交互强度;含水层原始温度与储能温度的差值应控制在45℃以内;系统抽灌量应控制在50 m~3/h-90 m~3/h的范围内。(2)对比了单对井系统和双对井系统中水热运移特性,探索了规模化含水层储能中井群布局设计的优选,给出了不同RR1(行列间间距)和RR2(同列井间间距)组合下系统储能回收率η和综合性能参数ηe的等值线图:RR1值较大时,随RR2值的减小,系统热储能回收率增大;冷热井的间距降到3Rth以下后,继续降低RR1和RR2,系统热储能回收率显著下降;综合考虑系统的储能性能和对地下空间的有效利用,控制ηe在0.2-0.4的范围内,也即(RR1,RR2)在(1.75Rth,2Rth)-(4.5Rth,1.5Rth)间取值,本文研究的系统综合性能较好。(3)分析了原始水流对于多周期储能含水层中水热迁移的促进、偏转、抑制等作用,获取了较高温度(>30℃)储能含水层中容许的原始地下水流流速,给出了原始地下水流存在时,含水层储能系统的选址和设计准则:冷水井应布置在原始水流的上游;含水层中容许原始地下水流流速为19 m/y,实际应用中10m/y以下更为合适;含水层的渗透率应小于1×10-10m~2,纵向热弥散度应小于10m,井间距应不低于4Rth;在本文研究的基础工况下,注入热水最好不超过60℃,系统可行抽灌量比无原始地下水流时小20%左右。
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