外文翻譯(中文)---約旦立柱井潛能應(yīng)用的地源熱泵的性能評(píng)估

1、<p><b>　　中文5490字</b></p><p>　　出處：Energy Conversion and Management 49 (2008) 863–872</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　約旦立柱井潛能應(yīng)用的地源熱泵的性能評(píng)估</p><p>　　A.Al-Sa

2、rkhi,E.Abu-Nada,S.Nijmeh,B.Akash</p><p>　　Department of Mechanical Engineering, Hashemite University, Zarqa 13115, Jordan</p><p>　　Received 12 April 2006; accepted 29 June 2007</p><p&

3、gt;　　Available online 20 August 2007</p><p>　　摘要 熱和豎直圓柱井流體的流動(dòng)的數(shù)字模擬與鉆井泵周?chē)亩嗫彰浇榈牡卦礋岜靡呀?jīng)開(kāi)始研究。有限的差別已被使用。參數(shù)的研究變化已發(fā)生變化。舉個(gè)例子，不同的流速如0.10，0.20和0.30與遠(yuǎn)距離的溫度變化如從15攝氏度到60攝氏度成為研究對(duì)象。增加流速和大跨度的溫度將增加來(lái)自SCW的出水溫度，再返回到熱泵。從0.05到0.2

4、75孔隙度的影響也別考慮。增加孔隙度也能增加出水溫度。同樣的，雷諾數(shù)的影響也分別減少了15-500和1000-11000，這種情況已經(jīng)被報(bào)道。努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)降低了出水口溫度。在地?zé)彷o助系統(tǒng)中，SCW是一種很好的地?zé)峤粨Q器。在關(guān)于雷諾數(shù)與弄塞爾數(shù)方面已有了更深的研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞 立式圓柱井 地源熱泵 約旦</p><p><b>　　1 引言</b>

5、</p><p>　　約旦有合適的地質(zhì)條件，水文條件，被認(rèn)為有潛在的資源地?zé)幔@種潛在的可以改善整體性能的地緣熱泵（GSHP）或地?zé)釤岜茫℅HP），尤其適用站柱與單井循環(huán)系統(tǒng)（SCW），地源熱泵是指到熱泵系統(tǒng)那個(gè)采用地面或任何水庫(kù)作為熱源或匯。地?zé)峥梢詮耐恋刂袀鞯綔囟鹊偷牡胤?；在寒冷季?jié)溫度升高，通過(guò)熱泵用于供暖系統(tǒng)。在夏季制冷，該系統(tǒng)可以扭轉(zhuǎn)，建筑熱可以釋放熱到土地中，發(fā)揮很大的冷卻價(jià)值。地面系統(tǒng)連接到地下熱泵

6、也從地面到地下散熱。地?zé)釤岜没蛘叩卦礋岜帽徽J(rèn)為是世界上增長(zhǎng)最快的可再生能源應(yīng)用之一。按照美國(guó)和歐洲約10%的年度增長(zhǎng)。給地源熱泵主要優(yōu)點(diǎn)是他利用地?zé)嶙鳛橐环N資源，在文獻(xiàn)上已經(jīng)有廣泛的的研究，特備是U型管地下?lián)Q熱器和一般閉環(huán)地源熱泵。最近，一些設(shè)計(jì)也用于加熱和冷卻水平環(huán)。據(jù)說(shuō)，改善適當(dāng)?shù)刂泛退膮?shù)的地區(qū)地?zé)釤岜玫恼w性能是在研究工作的最新常設(shè)欄目，以及增加的原因。最近，超臨界水受到重視，因?yàn)樗档土税惭b成本，降低運(yùn)行成本，提高地源熱泵的

7、整體表現(xiàn)與地質(zhì)條件適宜地區(qū)，如約旦。在超臨界技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估，并與其他地源人泵系統(tǒng)相比。超臨界水系統(tǒng)在商業(yè)和工業(yè)設(shè)計(jì)方面有非常重要的應(yīng)用，應(yīng)為它需要更短的鉆孔和提供更穩(wěn)</p><p>　　耦合系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)地下水系統(tǒng)的結(jié)合。它是通過(guò)在井與熱泵之間的循環(huán)水工作的如圖一所示。然而，在高峰時(shí)段的溫度，它可以從系統(tǒng)抽出一些水引入地下水在井的周?chē)h(huán)。單井循環(huán)系統(tǒng)可能是足夠大的，多個(gè)單井循環(huán)系統(tǒng)平行相連將能承載更大的負(fù)荷。如果

8、這個(gè)地域有堅(jiān)硬的石頭，要打深井，因此從靜止的水位向下構(gòu)造一個(gè)豎立圓柱井是困難的。如果井水溫度降得太低或升得太高單井系統(tǒng)會(huì)排除這部分水而不是排出全部的水進(jìn)入井里，用來(lái)吸熱或放熱，這樣便可以把水從含水土層周?chē)玫綋Q熱回到井中完成流動(dòng)。圓筒溫度的減少在熱季與寒季的排熱，是井水回到平常的操作條件同時(shí)提高系統(tǒng)性能。我們將在完全保溫井上做些研究。另外，在穩(wěn)態(tài)傳熱方面在在立式同心井和井周?chē)鷪A柱熱泵。封閉性使得解析道出了地面而活同心換熱器。對(duì)一個(gè)短暫的

9、熱量和質(zhì)量以及在熱量和質(zhì)量以及在熱泵系統(tǒng)遷移的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了調(diào)查。安裝了兩口井，一個(gè)15米的深度和其他在三百二十五米要在大型商業(yè)系統(tǒng)中使用的制冷量為70千瓦。</p><p>　　圖1 多孔介質(zhì)包圍的立柱井運(yùn)行原理</p><p>　　通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，分析周?chē)臒峋畬拥鸟詈系臒醾鲗?dǎo)和對(duì)流液壓能量轉(zhuǎn)移，地面的熱量和水流量在徑向方向的假設(shè)，一項(xiàng)研究在超臨界水下進(jìn)行的在井下使用潛

10、水泵。一個(gè)SCW的二維數(shù)值模型進(jìn)行了研究.給模型是用于研究參數(shù)井性能的最重要的影響。結(jié)果表明，地下水的流失率是提高良好性能參數(shù)，本文提出了一種模式，除了它具有能量質(zhì)能方程無(wú)量綱形式，其中一個(gè)參數(shù)的研究，可以輕松完成，更有效地解決。本文提出了一種模式有點(diǎn)類(lèi)似里斯等人。模型，除了它具有能量方程無(wú)量綱形式，其中一個(gè)參數(shù)的研究，可以輕松完成，更有效地解決。Běnwén tíchū le yī zhǒng mósh&

11、#236; yǒudiǎn lèisì lǐsī děng rén. Móxíng [10], chúle tā jùyǒu néngliàng fāngchéng wúliàng gāng xíngshì, qízhōng yīgè cān shǔ de yánjiū

12、, kěyǐ qīngsōng wánchéng, gèng yǒuxiào de jiějué.我們所提出的模型是一個(gè)一維的，這是不計(jì)算比二維里斯等人的要求。它使用一個(gè)</p><p>　　圖2約旦，安曼，阿利亞王后機(jī)場(chǎng)地下溫度時(shí)間分布</p><p><b>　　2 約旦的地?zé)豳Y源</b></p>&

13、lt;p>　　約旦在國(guó)內(nèi)有巨大的以地下熱水（溫泉井）為形式地地下能源資源。然而，在約旦卻只用在了治療和旅游業(yè)上。由于約旦完全依賴(lài)進(jìn)口石油來(lái)解決能源問(wèn)題，所以有嚴(yán)重的能源問(wèn)題，這使得它在預(yù)算上有很大的負(fù)擔(dān)。把溫泉作為地?zé)崮茉吹闹饕问?，溫度?0攝氏度到62攝氏度。這些熱井分布在沿約旦河與死海地塹東懸崖（200公里）。有大約100口熱井在死海和裂谷盆地與裂谷盆地還有東北約旦和女王阿利亞以南地區(qū)，水溫一般為中低溫。</p>

14、<p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中：αs是土壤熱擴(kuò)散率，Tm為平均氣溫，Ta為空氣溫度=1/2（Tmax,Tmin）</p><p>　　溫度振幅和tcd是一年中最冷的一天等等，（1）適用于阿利亞王后國(guó)際機(jī)場(chǎng)在安曼，約旦。結(jié)果列于圖2它顯示了計(jì)算一月，四月，七月和十月的地下溫度分布。例如，一月份溫度高，七月份溫度低。在一個(gè)約30

15、米深度年平均溫度保持在16攝氏度左右。這個(gè)溫度被認(rèn)為是個(gè)良好的加熱和冷卻溫度。另一方面，今年，各地的地下土壤，都提出了相同的位置如圖3得到的模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一只，溫度波動(dòng)隨深度變化而變化。</p><p><b>　　表1約旦的熱泉水井</b></p><p><b>　　3 立式圓筒井</b></p><p>　　立式圓筒

16、井在溫泉井的地方是一種最好的選擇，這個(gè)模擬的三維模型如圖4所示。以下是部分解釋?zhuān)?lt;/p><p>　　3.1 以為立柱井模型</p><p>　　用計(jì)算機(jī)直接模擬二維或三維的模型是比較繁瑣的。直接設(shè)計(jì)數(shù)值模擬和能量計(jì)算是不太可能的。然而，目前一維模型在計(jì)算時(shí)間方面顯得更加實(shí)用。本模型應(yīng)用了類(lèi)似的方程如瑞斯等人。</p><p>　　圖3 阿利亞王后國(guó)際機(jī)場(chǎng)一年中地下

17、溫度分布</p><p>　　圖4 立柱井的一維模型</p><p>　　做一下修改：本方法沒(méi)有使用兩維模型在有限體積法，而是一維有限差分法；目前的方程已變成無(wú)量綱形式，允許非三維參數(shù)的研究，已達(dá)到容易完成的目的。這種模型的應(yīng)用使目前的工作一方面變得簡(jiǎn)單，另一方面變得快捷。本模型具有以下假設(shè)：多孔介質(zhì)均勻，各項(xiàng)同性；遠(yuǎn)端溫度為定值（等溫表面）；并流水圍繞著一個(gè)鉆孔，如圖4所示。</p

18、><p>　　假設(shè)水流在豎直方向沒(méi)有熱量和水量的流動(dòng)，并且井深與井徑比很大，在大多數(shù)條件下可以使用這個(gè)程序，一般分為兩步完成：第一，一維能量方程為井孔周?chē)橘|(zhì)（平流擴(kuò)散方程）解決了有限差分法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)分布從遠(yuǎn)端到鉆孔的溫度分布；第二，井內(nèi)的流體可以看為一個(gè)整體。然后，使用能量平衡方程查到回到熱泵的液體溫度。</p><p><b>　　3.2 控制方程</b></p

19、><p>　　多孔介質(zhì)中在徑向方向上有或沒(méi)有流量，能量方程可以寫(xiě)為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中： （3）</p><p><b>　　（4）</b></p><p><b

20、>　?。?）</b></p><p>　　Keff有效傳熱系數(shù)（W/mK）；ρl水的密度(kg/m3)；ρs固體的密度；Cpl水的比熱；Cps固體的比熱；n為孔隙度，并且引入了無(wú)量綱量：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　式中：T∞是遠(yuǎn)端溫度；rb是鉆孔半徑；Vrb是地面鉆孔平均速度；代人無(wú)量綱量

21、得： （7）</p><p>　　且 （8）</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　pe是peclet數(shù)；Vr是Keff

22、/qcp的值；然后，最后的能量方程（無(wú)量綱）形式變成： （10）</p><p><b>　　（11）</b></p><p>　　屆時(shí)，能量方程為無(wú)量綱形式，如式12</p><p><b>　　（12）</b></p><p&g

23、t;　　3.2.1 方程式的轉(zhuǎn)變</p><p>　　下面的變換圖轉(zhuǎn)讓到非物理域進(jìn)入計(jì)算域，如圖5所示。</p><p>　　定義代入方程12得：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　式中：；是計(jì)算坐標(biāo)。</p><p>　　圖5 物理域與計(jì)算域的轉(zhuǎn)變</p&g

24、t;<p>　　3.2.2地下水流速</p><p>　　地下水平均流速用連續(xù)性方程計(jì)算得：</p><p><b>　?。?4）</b></p><p><b>　　在鉆孔</b></p><p><b>　?。?5）</b></p><p&

25、gt;　　式中：流率是流量占總流量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；是質(zhì)量流率；L是鉆井深度；是鉆孔液體密度；泄放率是始終為負(fù)數(shù)。規(guī)范的鉆井速度產(chǎn)生的徑向水流速度。</p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　　利用計(jì)算域轉(zhuǎn)換為：</b></p><p><b>　?。?7）</b></p

26、><p><b>　　去掉星號(hào)：</b></p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b>　　3.3 邊界條件</b></p><p>　　下列邊界條件適用于：</p><p>　　3.3.1 遠(yuǎn)端邊界條件</p><

27、;p><b>　　At (物理域)</b></p><p>　　At (非物理域)</p><p><b>　　At (計(jì)算域)</b></p><p>　　式中：R1為遠(yuǎn)端半徑；T1為遠(yuǎn)端溫度。</p><p>　　3.3.2 鉆孔邊界條件</p><p>　　井

28、下熱平衡條件，熱量從井壁的到井眼導(dǎo)熱速度，即流體的熱量。</p><p>　　物理維域： (19)</p><p>　　式中：Tb為鉆孔溫度；Tf為鉆孔平均溫度；Rb井的熱阻。</p><p>　　物理非維域： （20）</p><p>

29、　　計(jì)算域： (21)</p><p>　　一個(gè)松弛因素應(yīng)用到了熱通量上，形式如下：</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　式中:qold次迭代熱通量；rf松弛因素；Tf,in為返井水溫；</p><p>　　

30、Tf,out為出井水溫；Tb鉆孔表面溫度。此方程解決了全隱式有限差分法。</p><p>　　3.4立柱井出水溫度</p><p>　　考慮到地下水的流率，能量平衡以及立柱井中的平均水溫。Tf可以寫(xiě)為如下形式： （23） </p><p>　　使用上面的公式，立柱井的出水溫度為：</p>

31、<p><b>　　(24)</b></p><p>　　控制體周?chē)哪芰科胶馊鐖D6所示。水的能量平衡方程可寫(xiě)為：</p><p><b>　　(25)</b></p><p>　　水從周?chē)嗫捉橘|(zhì)進(jìn)入鉆孔時(shí)溫度Tb；帶入25式得：</p><p><b>　　（26）<

32、/b></p><p><b>　　利用無(wú)量綱參數(shù)</b></p><p>　　在離散方程（26）左邊使用差分法。平均水溫Tf在時(shí)間t式是知道的，在時(shí)間是未知的。</p><p><b>　?。?7）</b></p><p><b>　　（28）</b></p>

33、;<p>　　將平均水溫帶入（27）式計(jì)算得到（28）計(jì)算得出水溫度。</p><p>　　圖6 鉆孔模型中的能量平衡</p><p><b>　　表2研究中的數(shù)據(jù)</b></p><p>　　3.5 鉆孔阻力和對(duì)流系數(shù)</p><p>　　鉆孔組立刻按下式計(jì)算：</p><p>&

34、lt;b>　?。?9）</b></p><p>　　對(duì)流換熱系數(shù)可用下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　式中：是導(dǎo)熱率；是Bhatti和Shah兩地的努塞爾數(shù)。</p><p><b>　?。?1）</b></p><p

35、><b>　　（32）</b></p><p>　　式中： （33）</p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　式中：為摩擦系數(shù)，其雷諾數(shù)的范圍是</p><p>&l

36、t;b>　?。?5）</b></p><p>　　此外，對(duì)于 R<2300的情況下，，其中，e是鉆孔表面粗糙度，Re和Pr分別是雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。</p><p><b>　　4 結(jié)果和討論</b></p><p>　　該模型的參數(shù)分析，前面對(duì)50多個(gè)案例做了調(diào)查。研究參數(shù)列于表2.這項(xiàng)研究的能源是在地下抽取的（冬季穩(wěn)態(tài)

37、條件下）。固定參數(shù)總結(jié)在表3。圖7顯示了函數(shù)的時(shí)間穩(wěn)態(tài)模擬。在這次模擬中，整體運(yùn)行中，設(shè)立了60萬(wàn)個(gè)步驟。</p><p>　　圖8顯示了出口溫度隨雷諾數(shù)的變化情況。水的出口溫度隨熱泵的流量的增加而升高。圖9顯示了遠(yuǎn)端溫度對(duì)出水溫度的影響。雷諾數(shù)減小出水溫度將升高。</p><p>　　圖10顯示了流率與水溫的關(guān)系。出水溫度隨地下水流率增加而增加。在高要求的熱量抑制（冷卻）或吸收（加熱），

38、如果井水溫度改變（上升或下降），然后抽取部分水進(jìn)入立柱井。</p><p><b>　　表3本研究中的參數(shù)</b></p><p>　　圖7穩(wěn)態(tài)條件下的出水溫度和時(shí)間的關(guān)系</p><p>　　圖8 出口溫度與雷諾數(shù)的關(guān)系</p><p>　　圖9 遠(yuǎn)端溫度與進(jìn)口溫度的關(guān)系</p><p>　　圖

39、10 不同滲透率下的出口溫度</p><p>　　圖11 孔隙度與進(jìn)口溫度的變化關(guān)系</p><p>　　然后從周?chē)畬恿魅氩浹a(bǔ)流出系統(tǒng)的水量。這一過(guò)程會(huì)在冬季加熱井水升高溫度，夏季冷卻井水。該技術(shù)在某種程度上使井水溫度滿(mǎn)足正常的操作條件并且提高立柱井的性能。排出的水可以改為家庭用水。圖11顯示了出口溫度變化，冬季從立柱井返回到熱泵（加熱模式）周?chē)障逗畬印ｋS空隙率增大，出口溫度降低

40、。圖12顯示了努塞爾數(shù)對(duì)的出井水溫的影響。</p><p>　　圖12 努塞爾數(shù)對(duì)出口溫度的影響</p><p>　　圖13 雷諾數(shù)與努塞爾數(shù)的變化關(guān)系</p><p>　　圖13顯示了雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)之間的關(guān)系。努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)增加根據(jù)三項(xiàng)多項(xiàng)式得：</p><p><b>　　（36）</b></p>

41、<p>　　圖14 2004年與現(xiàn)在滲透率和出水溫度影響的對(duì)比</p><p>　　圖14 顯示當(dāng)前研究結(jié)果與里斯等人的結(jié)果的比較。兩種研究都顯示了出水溫度隨流率的變化趨勢(shì)。出水溫度并不隨流率增加成線(xiàn)性的增加。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　立柱井一維參數(shù)的研究已開(kāi)始運(yùn)用數(shù)值有限差分法。制熱模式（冷

42、季）的模擬研究。受雷諾數(shù)（質(zhì)量流量），遠(yuǎn)端溫度等的影響，流率和周?chē)伎捉橘|(zhì)孔隙率一直在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行分析。泄放比和遠(yuǎn)端溫度增加從立柱井返回?zé)岜玫某鏊疁囟?，增加孔隙度、努塞爾?shù)和雷諾數(shù)會(huì)降低出水溫度。</p><p>　　目前與他人已經(jīng)發(fā)表的模型進(jìn)行了比較，顯示關(guān)于立柱井出流失率作為一個(gè)函數(shù)溫度關(guān)系類(lèi)似的趨勢(shì)。出口溫度上升并不與流率增加成線(xiàn)性關(guān)系。</p><p><b>　　致謝