关键词： 地下水源热泵   分级冷却   新风量   地下水流量   空调  

摘要： 传统地下水源热泵(GWHP)对地下水储存的冷量利用十分有限。结合温湿度独立控制空调系统优点,构建了一种地下水分级冷却的地源热泵(GGWHP)空调系统,并搭建GGWHP空调系统实验装置。实验研究新风量、地下水温度和地下水流量对GWHP和GGWHP空调系统供冷性能的影响。实验结果表明:GGWHP空调系统的能耗低于GWHP空调系统。新风量从305 m^(3)/h增加到1 835 m^(3)/h, GGWHP空调系统与GWHP空调系统相比,能耗节省4.78%;GGWHP空调系统的性能系数(COP)减少0.89。地下水温度从17℃增加到21℃,GGWHP空调系统与GWHP空调系统相比,能耗节省8.41%;GGWHP空调系统的COP减少1.02。地下水流量从550 kg/h增加到1 320 kg/h, GGWHP空调系统与GWHP空调系统相比,能耗节省8.59%;GGWHP空调系统的COP增加1.03。

关键词： Thermal conditions   Groundwater heat pump system   Numerical modeling   Optimization   China  

摘要： Groundwater heat pump (GWHP) systems are extensively utilized for heating and cooling. However, despite being a well-established technology, their impact on the geological environment is still not thoroughly understood, particularly the potential impacts of regional multiwell GWHP systems. This study analyses the hydrogeological characteristics and geothermal conditions in Haimen, China, to assess the impacts of a regional multiwell GWHP system. A three-dimensional coupled numerical model of groundwater flow and heat transport is established. The numerical model was used to evaluate the geological environment under the maximum energy load. The results indicate that the hydrogeological and geothermal conditions of the study area are suitable for the large-scale development of multiwell GWHP systems. However, the numerical simulations indicate that during system operation, multiwell GWHP systems can cause regional thermal accumulation in aquifers. The simulations showed that thermal accumulation was most significant in the area with the smallest distance between injection and extraction wells, suggesting that small spacing between injection and extraction wells for GWHP systems is not advisable. Therefore, numerical simulations were conducted for different well distances to determine the optimal scheme for the multiwell GWHP systems. The optimization of regional multiwell GWHPs will reduce their impact on the groundwater environment, whilst extracting the maximum geothermal resources available.

关键词： 地下水源热泵   含水层   井间距   热贯通  

摘要： 通过建立地下含水层水—热耦合数学模型,模拟分析不同含水层厚度下抽水井的温度变化,结合温度变化曲线,讨论了地下水源热泵抽灌井设计间距问题。结果表明,保持抽灌井间距不变,含水层厚度的增加可以减弱热贯通的影响;同一含水层厚度,可能在某一范围内改变抽灌井间距,热贯通程度变化不大;随着含水层厚度的增加,抽灌井设计间距总体呈现递减的趋势。

关键词： 水源热泵   地下水   温度场   水化学成因  

摘要： 水源热泵系统的开发利用与地下水环境息息相关。为了给研究区水源热泵项目的进一步开发和利用提供参考,从地下水动力场、地下水温度场、地下水化学场3个方面探讨了水源热泵系统对地下水环境的影响。其中,地下水水位逐年升高且降落漏斗范围缩小,水源热泵系统对研究区地下水动力场没有影响;地下水温度整体稳定,局部地热单供暖区水温有下降趋势,回灌水温差对研究区地下水温度场有局部影响;该系统导致地下水蒸发作用强烈,Cl^(-)和SO_(4)^(2-)含量不断增大,水化学类型由HCO_(3)-Ca·Mg转变为HCO_(3)·Cl·(SO_(4))-Ca·Mg。研究表明,定期监测地下水指标与合理设置地热开采量,可显著降低水源热泵系统对地下水环境的不利影响,促进水源热泵系统的推广应用和可持续发展。

关键词： 地下水源热泵   大肠杆菌   多孔介质   沉积特性   迁移沉积   试验系统  

摘要： 以地下水源热泵回灌过程中大肠杆菌堵塞作为研究对象,通过自主研发的砂层颗粒迁移-沉积试验系统观察大肠杆菌在多孔介质孔隙孔道内的运移、沉积。以3种不同长度的试验箱体开展大肠杆菌在多孔介质里的运移沉积规律,通过试验得出:1)石英石颗粒内部的内摩擦力有利于大肠杆菌的沉积,流动速度对大肠杆菌引起的微生物堵塞起到关键作用:2)3种(60、80、100 cm)不同长度的试验箱体在流速作用下以100和80 cm为对象,其沉积率提高了57.1%;以80和60 cm为对比对象,其沉积率提高了27.3%;3)大肠杆菌的恢复率与流体速度也成正相关作用,其堵塞原理类似沉积率特性。

关键词： 水源热泵   大肠杆菌   堵塞   回灌系统   绿色节能  

摘要： 以地下水源热泵回灌过程中大肠杆菌堵塞作为研究对象,通过自主研发的砂层颗粒迁移-沉积试验系统观察大肠杆菌在多孔介质孔隙孔道内的运移、沉积。分别以石英石、玻璃珠作为多孔介质做对比性试验,通过试验得出:石英石颗粒不均匀,级配不良,颗粒间的咬合力为大肠杆菌的沉积提供了“温床”,进而孔隙水压力呈现先增大后减小再稳定的状态;但玻璃珠颗粒粒径均匀,同时颗粒之间光滑,咬合力小,不利于大肠杆菌的沉积,孔隙水压力呈现陡减的现象。建立大肠杆菌渗透率衰减数学模型,将理论值和室内试验值进行数据拟合,从验证的结果看,所提渗透率衰减模型对预见微生物的迁移和沉积所引起的孔隙率减小是有效的。

关键词： 地下水源热泵   地下水流速   温度场   数值模拟  

摘要： 为研究天然地下水流速对地下水源热泵抽灌层温度场的影响,该文通过积分插值法,建立了地下水与热量运移三维耦合模型,以南方典型冷暖联供模式下,直线型一抽两灌布井形式的地下水源热泵为例,分别模拟了不考虑天然地下水流速,以及天然地下水流速为0.02、0.04、0.08、0.16m/d时,抽灌层的温度场以及抽水井处温度的变化趋势。结果表明:天然地下水流速的存在,将增加回灌井在天然地下水流向上的影响范围,而减少在垂向上的影响范围;抽水井处温度变化幅度随天然地下水流速的增加而减小,有利于缓解运行过程中出现的热贯通问题。

关键词： 严寒地区   体育馆   地下水源热泵   室内热环境   优化方案  

摘要： 为了研究严寒地区体育馆建筑存在的冷热不舒适的问题,文章以沈阳工业大学体育馆建筑为例,针对学校建筑的特点,采用实地测量和问卷调查的方法,分析了体育馆建筑地下水源热泵系统在设计和运维方面存在的问题,并通过对体育馆比赛大厅1月份热环境实测数据发现:体育馆比赛大厅温度大部分时间处于14~18℃,采暖效果不达标,影响人体的热舒适性。针对体育馆室内热环境问题给出了相应的优化方案,为严寒地区体育馆建筑室内热环境的优化与改善提供参考。

关键词： 地下水源热泵   水源侧   压力   流量   回灌  

摘要： 地下水源热泵系统在实际工程中运行良好,可以有效降低建筑空调、供暖系统碳排放量。为掌握地下水源热泵在实际中的运行状况,选取某公共建筑地下水源热泵项目为研究对象,介绍了该项目历史运行情况,重点分析了水源侧在实际应用中出现压力升高、循环水低流量、地下水回灌不畅问题时如何解决,指出了问题产生的原因并提出了相应的改进措施。结果表明,在既有条件下,换季期间要注重水源侧维护保养,水源侧合适的流量、压力、回灌率是系统正常运行的前提,同时要定期监测地下水温、水质,确保系统高效运行。研究结果对从事此方面工作的人员具有一定的参考价值。

关键词： 地下水源热泵   生物地球化学过程   多元统计分析   硝酸盐依赖氧化过程   铁锰循环  

摘要： 以传统能源为主的能源消费结构带来的环境影响和资源枯竭问题日益严重,在面对气候危机和能源危机的双重问题之下,许多国家对能源结构做出了调整。其中,浅层地下水源热泵利用地下水的年恒温特性,通过抽水井和注水井之间的热交换器直接从地下水传递能量,凭借其节能、环保等优点受到广泛关注。然而,该技术固有的开环双井结构在运行过程中可能诱发水质问题和堵塞风险。这种工程运行风险问题往往伴随着微生物直接参与及间接介导,这是由于在开放体系下,抽灌过程通过改变环境条件刺激了微生物演替,进而加速了元素的价态转化和聚积。尽管如此,对浅层地下水水源热泵驱动下物理-化学-生物时空演变规律和多元素体系的生物地球化学过程仍然缺乏系统性和全面性的探索。 因此,本研究通过在井群试验场地开展的长期模拟试验,联合了原位监测、环境同位素示踪、分子生物学及室内实验分析等多种技术,旨在洞察地下水源热泵系统运行期间物理、水化学、微生物场域的时空动态变化,深入分析物-化-生特征的演化规律。借助典型对应分析和因子分析方法,提取与微生物活动密切相关的环境与水化学参数,揭示运行模式下井内生物地球化学作用的分布特征及演变趋势。论文的研究成果丰富了对水源热泵系统内生物地球化学动态的系统认识,为优化水源热泵设计和实现地下水资源的可持续管理提供了科学依据。本文得出的主要结论如下: 1.场地水动力学特性受到抽灌过程的显著影响,分别以抽水井和回灌井为中心形成-3.5至-5.5 m的降落漏斗和-0.4至-3.3 m的水丘。在水动力条件变化强烈的区域发生了明显的物质能量交换,影响了水化学和微生物条件,并形成沉积物引起含水层渗透性下降。这种渗透性衰减随操作方式不同出现分异,其中以回灌井衰减最为迅速剧烈,在回灌17天内渗透性衰减了70%左右。此外,观察到抽灌井底部与近地表区域,铁锰氧化物沉积量显著增多,这表明抽灌作用引起井内物理性质迅速转变,同时有复杂的生物地球化学反应协同潜在驱动,并且这些复杂的反应在垂向上存在差异。 2.原水回灌特性决定了水化学类型在试验前后的统一性,皆为HCO3·Cl-Ca型水。但水化学环境在抽灌作用下显著变化。抽水井的氧化还原指标（DO和ORP）趋向于形成上层富氧而下层相对缺氧的层次分布。回灌井则受灌入水溶解氧控制,在回灌流动路径上逐渐扩散。p H和电导率在抽灌驱动下分别降低和升高,水位波动较大的区域最为显著。抽水井中,环境变化主要与水位下降产生的物质能量交换以及底部抽水泵驱动有关,以14 m为界限形成上层与底层的分异趋势。回灌井则受回灌入水特性和交换强度的直接控制,在水流垂向运移路径上出现变化梯度。抽灌同时刺激了微生物好氧或厌氧代谢过程,使系统内存在好氧和厌氧两种氧化途径,促使生物与化学组分在抽灌刺激下形成铁、锰、硫等化学成分的结垢物。 3.抽灌过程对地下水生物地球化学动态存在明显的调控作用,刺激了微生物群落丰度的提升,在水位波动最剧烈的浅层区域可提高3-4倍左右,形成了从近地表向深层递减的分层结构。抽灌也同时促进了微生物多样性的提升,尤其在回灌井中微生物丰度和多样性的增加更为显著,这指示了回灌过程可能为微生物提供了更多样和适宜的生态环境。此外,原生系统内以硝化、反硝化为主的功能菌组成情况在抽灌以后发生转变,参与铁、锰、硫元素氧化的微生物相对丰度显著提升,说明在抽灌过程中元素的转化过程受到微生物的介导作用,同时元素的转化循环也促进了微生物生长代谢。 4.在常规的物理-化学-微生物演变规律基础上,引入了多元统计分析方法。通过典型对应分析（CCA）揭示了与抽灌系统生物样品强烈相关的4个环境指标（p H、ORP、DO、EC）及6个水化学组分指标(SO42-、NO3-、HCO3-、Fe2+、Mn2+、总铁)。结合因子分析方法（FA）对主要指标进行降维分析,依托于各指标与生物地球化学作用的相关关系,提取出具有指示意义的主成分及其得分分区。构建了“典型对应分析-因子分析”的判别方法,识别出系统内发生了硫铁锰氧化作用、硝化作用、反硝化作用、甲烷氧化、有机物降解等具有时空分异特征的生物地球化学过程。 5.根据多元统计分析方法,识别出生物地球化学作用的时空分异过程。在本次试验中,热泵在富含铁、锰、硫矿物含水层运行,水动力活跃的区域引入了大量的氧气作为电子受体,刺激了微生物的生命活动,导致铁、锰、硫等元素在微生物介导下有氧氧化形成结垢物。同时提供了硝化作用的发生条件,促进了氮向硝酸态转化。井底部大量的还原态离子及矿物的积累为反应提供了丰富的电子供体,在氧气不足的时候,微生物介导作用可以加速以硝酸盐为电子受体的氧化活动,进而在井的深部也形成大量结垢物。