关键词： 岩溶含水层   水源热泵   地下水温度   数值模拟  

摘要： 为探究岩溶含水层水源热泵运行期间地下水温度场变化规律,以武汉市某场地地下水源热泵系统为例,基于有限元数值模拟软件FEFLOW,分别模拟了水源热泵空调制冷和制热期间抽水-回灌目的含水层中的渗流场和温度场,并对表征岩溶发育的重要参数储水系数和孔隙度进行敏感性分析。模拟结果表明,地下水源热泵运行仅影响回灌井附近地下水温度,不会对区域含水层温度产生影响;而表征岩溶发育的典型参数储水率和孔隙度,对模拟结果的影响不大。

关键词： 地下水源热泵   数值模拟   THM耦合   回灌量  

摘要： 为了推动绿色建筑的发展,改善现有的供热结构,科学家们提出许多可供选择的空调供热方式,如太阳能供热、燃气供热、余热供热、地源热泵供热等。其中,地源热泵技术因其节能、环保、应用效率高、占用地下空间较少等优势,获得政府的大力支持与推广,但该技术在中国发展时间较短,关于含水层中渗流场、温度场、应力场在热泵系统影响下的变化规律研究仍不足,不合理的设计所引起的环境问题也逐渐显现。论文在论述地源热泵系统国内外研究成果的基础上,详细分析了地源热泵系统影响下的地下含水层渗流场、温度场、应力场三场的耦合机理,并且建立了地下含水层热-固-流耦合数学模型,利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对武汉百步亭新港苑小区的地源热泵系统建立了物理模型,模拟不同回灌量对温度场及应力场的影响,并对该小区热泵系统抽灌设计提出建议,通过对比模拟数据与现场监测数据,验证了该模型的真实性。模拟的主要结论有:1)含水层岩土体温度的变化范围受回灌水的影响随系统运行时间增长而变大。同时温度影响半径也受到地下水流运动的影响,高温区域呈以抽水井为顶点的水平放置“水滴状”,回灌量越大,热突破会越早发生;2)抽灌过程会引起含水层水压力发生重分布,抽水井周的孔隙水压力减小,回灌井周的地下水压力增大。抽灌井周的水压力值还受回灌量的影响,当抽灌量一定,随着回灌量的增加,靠近井处的水压力受到扰动比较大,远离井处的区域基本不受影响;当抽灌量相同时,抽灌井周的水压力呈“对称”分布;3)在不同回灌率作用下,同一深度抽水井侧的地层沉降要大于回灌井侧的地层变形,且在地下水渗流方向上,回灌井左侧的变形最小,抽水井右侧的变形最大;随着地层深度的增加,抽灌水引起的地层变形越来越小。回灌率越高,系统抽水对地层的影响越小。因此,建议在条件允许范围内,尽可能提高回灌率,减少地层沉降;4)对比不同工况下地温变化的模拟数据和现场监测数据后,发现两者的最大相对误差均在允许值范围内,说明所建立的物理模型与实际测量值吻合较好,可以用来指导工程实践。图:37 表:4 参:73

关键词： 连栋温室   水蓄能   地下水源热泵   热力学分析   夏季降温   CFD模拟  

摘要： 连栋温室是设施农业作为现代农业生产的主要形式之一，但普遍存在夏季降温困难，运行能耗高等问题，因此研究可再生能源节能技术在连栋温室的应用及其环境控制效果，对促进我国设施农业的发展具有重要意义。针对水蓄能型地下水源热泵的运行性能、节能降耗能力和夏季降温效果，本文结合崇明大型连栋玻璃温室工程实际，进行试验和计算分析，并利用CFD技术对夏季温室环境进行模拟，得到以下结论：　　(1)通过选取夏季高温典型日计算水蓄能型地下水源热泵系统的经济性，得到：水蓄能型地下水源供能系统与不采用蓄能装置的水蓄能型地下水源供能系统运行费用作比较，典型日当天可以节省运行费用193.33元，使用蓄能系统可节省总运行费用的16.98%;水蓄能型地下水源热泵系统相对空气源热泵和直燃式溴化锂冷热水机组这两种降温方式的一次能源的节能率分别为31.61%和79.10%，标煤替代量分别为364.02kg和2980.65kg，CO2减排量分别为953.73kg和7898.72kg;且试验系统对于可再生能源与耗电量的利用比例接近4∶1。显示水蓄能型地下水源热泵供能系统具有显著的经济效益和节能减排效益。　　(2)热泵运行时的平均COP为4.345，整个供能系统的COP为3.80，系统在供冷季节运行稳定且高效。夏季主要以冷水井直供模式为主，热泵在电价低谷时段开启为蓄冷水箱蓄积冷量，为白天供冷做补充。从能量分析法和?分析法两个角度综合分析了水蓄能型地下水源热泵式温室空调系统在夏季降温下的热力学性能。结果显示：系统热效率的平均值为72.81%，能量分析法指出热损耗率较大的是板式换热器(32.34%)、水泵(16.41%)和空气处理机组(16.11%);?效率的平均值为17.21%，?分析法指出?损耗率较大的是压缩机(37.36%)、空气处理机组(21.43%)，整个系统需要改善的组件是压缩机、空气处理机组、板式换热器和水泵。　　(3)选取典型天气研究连续极端高温情况下空气处理机组(Air treatment unit，ATU)和湿帘风机降温效果，结果显示：在强太阳辐射的9:00~17:00阶段，室外环境平均温度36.97℃的高温下，而ATU可以使温室内温度保持在32℃以下，有ATU降温的温室比无ATU降温的温室平均温度低13.88℃，降温效果明显，且ATU持续运行降温效果好。通过ATU降温和湿帘风机降温系统对比，室外环境平均温度为32.30℃情况下，相对于无ATU和湿帘风机降温的温室，湿帘风机可以降温9.31℃，ATU比湿帘风机多降2.24℃。　　(4)选取梅雨季节的阴雨天气典型日分析得到：白天9:15~17:00，仅进行机械通风的温室室内平均温度为28.10℃，最高室内温度分别为31.10℃，平均相对湿度为81.61%，得到典型日在不开启ATU制冷只进行机械通风，能够满足栽培作物的适宜温湿度需求。调整系统运行模式，典型日当天可节约运行成本337.34元，当年梅雨季可节约4048.08元。在夜间0:00~6:40和20:40~24:00，自然通风可降低温室内的相对湿度，夜间应加强自然通风。　　(5)利用CFD模拟得到，使用ATU连接布袋式风管的降温方式，温室内部温度分布均匀，在外界环境温度34℃条件下，在同一水平面上温度，除去没有布袋式风管的区域(Y=33m~35m)，距离温室外壁面越远温度越低，最大温差为4℃。垂直方向上，随着高度的增加温度不断升高，0.5m至6m处温差约为6℃，作物区的温度在21℃~27℃。对于温室内部速度场，整体上分布均匀，除去没有布袋式风管的区域(Y=33m~35m)，距离温室外壁面越远气流速度越低，在作物区气流速度均在0.2m/s~0.8m/s之间，变化平缓速度分布合理。ATU能够为作物创造良好的生长环境。

关键词： 地下水源热泵   室内试验   微生物堵塞   堵塞治理  

摘要： 水源热泵空调系统近年来得到越来越广泛的应用,因其系统不仅减小了对环境的影响,而且属可再生能源利用技术,在节约自然能源、减少环境污染等方面也做出了突出贡献。但由于技术的不足,回灌堵塞制约了地下水源热泵的推广和使用,因此需要根据堵塞机理寻找解决办法。本文以沈阳理工大学的地下水源热泵工程为研究对象,通过水文地质条件分析,室外监测试验,以及室内模拟回灌实验和堵塞防治的室内试验,掌握了沈阳理工大学水源热泵回灌中堵塞的微生物学机理,并提出了解决沈阳理工大学水源热泵回灌堵塞的措施。本研究课题得出如下结论:(1)研究区的地下水一年四季稳定在9～11℃,并且埋藏于地下8.0～12.0m,研究区水源热泵系统回灌井中的抽水井布置在Q3apl含水层,回水井布置在Q1pal-fgl含水层,温度和布设位置均可满足水源热泵供回水的需求。并根据研究区的水质报告显示,研究区的Fe离子含量超出《采暖通风与空气调节设计规范》,属于高铁地区。(2)通过在冬季和夏季两个季节分别进行室内模拟回灌堵塞实验,并在同一时间测得出水口的水通量、并计算其渗透系数、相对渗透系数。并总结出:距离进水口越近的位置渗透系数变化幅度大于距离进水n越远的位置渗透系数变化幅度;冬季出水口的相对渗透系数随时间变化幅度大于夏季出水口的相对渗透系数随时间的变化幅度;冬季底端的孔隙率随时间变化幅度大于夏季底端的孔隙率随时间的变化幅度。说明研究区越靠沂回灌迸水口的位置,堵塞发生的时间越早,越远离进水口的位置,堵塞发生的时间越晚。且在冬季时沈阳理工大学的水源热泵在回灌过程中容易发生堵塞。(3)文献表述铁细菌可在不同条件的环境中参与到Fe2+和Fe3+之间的相互转换,因为研究区中Fc离子浓度超标,而且实验中的回灌水是根据研究区离子浓度所配置的,故而在室内模拟实验后期的回灌水中鉴定出了引起堵塞的铁细菌。(4)通过设置两组有无铁细菌的对比实验,得出了铁细菌的存在对研究区的堵塞产生积极的影响。并总结出:回灌过程中介质的渗透性能降低首先是由菌体本身引起的,在细菌处十衰亡期时则主要由胞外聚合物含量增加造成,渗流中后期则主要由细菌与EPS的共同作用,并且介质渗透性降低也与研究区中的铁离子被FB氧化生成Fe3O4沉淀有关。(5)为解决研究区微生物堵塞的问题,选取了五种溶脱剂,并在室内设置五种装置,第一组加入盐酸,第二组加入氢氧化钠,第三组加入表面活性剂烷基苯磺酸钠,第四组加入次氯酸钠,第五组加入自来水,得出结论:五种溶脱剂的加入均对渗透系数的恢复产生积极的影响,但尤以次氯酸钠的影响效果最积极,并大幅度降低了微生物的数量。(6)将NaOH、HCl、NaClO三种溶脱剂按先后不同的顺序加入到发生堵塞的柱内,发现顺序为HCl、NaClO、NaOH这一组实验的渗透系数恢复的比较明显,此方法可为研究区堵塞的治理提供积极的指导意义。本课题名称为水源热泵回灌中堵塞的微生物学机理及防治措施研究,并结合沈阳理工大学水源热泵实际运行情况,以及在实验室内进行模拟回灌实验,初步取得了一些堵塞机理以及防治措施的实验成果,为解决研究区系统实际运行中的问题提供了理论依据。

关键词： 新能源   单井循环地下换热系统   隔板位置   传热  

摘要： 对于世界各国来说,能源对于经济的发展至关重要,新能源以其清洁无污染的特点成为21世纪最重要的替代能源。自南水北调中线通水后,京津冀大量自备井被封存,限制地下水的开采,这对于其中蕴含的地热能来说是一种新能源的浪费。单井循环地下换热系统能够利用热泵技术对现有的自备井进行改造,将其重新利用,为建筑物供暖、制冷,具有初投资小、能耗低、回灌良好等优点。本文在一地处廊坊的热源井地质资料基础上建立了二维剖面模型,探究单井循环地下水源热泵系统的地下水流动特性和影响地下水流动的因素,又建立了三维地下水流动模型和换热模型,探讨单井循环地下换热系统在该热源井处应用的可行性,推测适宜安装单井循环系统的自备井条件和含水层性质,得到的结论如下:(1)在现有地下水井基础上安装单井循环地下换热系统,对井结构进行改造非常有必要,在井孔内增加隔板既能够排除低温回水对抽水温度的干扰,又能够增加抽水的影响半径。在技术成熟,预算合理的条件下,应尽可能大范围的增加井内隔水装置。(2)含水层的渗透性较差时,取热半径更大,有弱透水层存在的情况最佳,但要保证含水层储水量的充足,若在抽水的同时不能及时得到上层含水层的补给,也会影响到单井循环系统的取热性能。(3)在地处廊坊的热源井中应用单井循环地下换热系统的模拟效果良好,水位无明显降深,且一年模拟期内抽水温度保持稳定。就该热源井的水文地质情况来看,适宜安装单井循环地下换热系统的自备井最好具备以下条件:自备井本身能够提供较高温度地下水;所在位置有较厚地层覆盖,保证热储层段含水层温度的稳定;上部回水区周围含水层渗透系数较大,有利于地下水的回灌,避免发生地面沉降等不良地质现象的发生;下部抽水区周围含水层渗透系数较小,有利于回灌水与含水层换热过程的延长。

关键词： 多物理场耦合   COMSOL Multiphysics   数值模拟   地下水源热泵   危废填埋场  

摘要： 数值模拟是研究很多实际工程问题最重要的方法之一,模拟结果能够为工程决策提供依据,指导实践。其中如地下水源热泵、软土区域危废填埋场不均匀沉降引起污染物泄露等工程应用中存在的关键问题其实就是复杂的多物理场耦合问题。多物理场耦合数值模拟的研究对解决好这类实际工程应用问题显得尤为重要。本论文以有限元数值模拟软件COMSOLMultiphysics为工具,对渗流场(H)、应力场(M)、温度场(T)、化学场(C)中部分两场及三场耦合数值模型进行研究。首先是以疏排水引起地面沉降的渗流场-应力场(HM)两场问题为例,将土力学经验公式、渗流-沉降部分耦合的GMS软件中SUB模型以及目前少用的基于渗流-沉降全耦合的COMSOL Multiphysics模型对疏排水引起的地面沉降量计算结果进行对比,验证COMSOL Multiphysics求解疏排水引起地面沉降这一两场问题的可靠性。开展了 HM两场耦合研究后,进行三场耦合研究。三场耦合研究中,一是以地下水源热泵为例,对渗流场-应力场-温度场(HMT)的三场进行耦合模拟,求出西安市典型水文地质条件地下水源热泵不同运行条件下的合理抽灌比和井间距(实现水源热泵高效利用)、安全(抽水井距离建筑物)井距;二是以危废填埋场负荷条件下发生不均匀沉降导致污染物泄露运移为例,进行了渗流场-应力场-化学场(HMC)的三场耦合模拟,研究不同地层条件下、不同耦合程度时各场变化规律。旨在通过本文研究,一是丰富COMSOL Multiphysics软件模拟水文地质、环境地质领域实际工程多场耦合问题的研究案例,二是为相关地下水源热泵系统安全与高效利用、危废填埋场负荷条件下发生不均匀沉降时污染物运移规律等工程应用提供决策依据。研究结果分为三部分,如下:(1)将不同耦合程度模型的求解结果进行对比,验证了 COMSOL Multiphysics全耦合模型求解两场问题的可靠性。(2基于西安典型水文地质条件及地下水源热泵运行方案的HMT三场耦合模拟,确定了合理的抽灌比、提出合理井间距以及抽灌井距建筑物的最优安全距离。(3)构建了两个理想算例模型和一个实际工程应用模型。第一个理想算例模型模拟了软土与硬土地基危废填埋场在不同负荷条件下不均匀沉降差异,并进行参数敏感性分析;第二个是考虑了边界处水位波动条件下的HMC理想算例模型,研究不同耦合程度时各个物理场的变化规律。最后基于实际危废填埋场地,建立HMC三场耦合模型,经识别验证后,对场地沉降及溶质运移进行了模拟预测。

关键词： 地热能   水文地质参数   地下水源热泵   阳离子温度计   FEFLOW  

摘要： 随着京津冀地区经济社会的迅速发展,能源问题日益突出,地热资源作为可再生能源之一,受到广泛关注。目前面临的主要问题为地下水水位不断下降,从而引起地下换热器换热效率低、泵耗大、热贯通等问题;以及在实际应用中判断热贯通主要采用实践经验的方法,缺乏先进的理论指导。并且,实现地热资源的可持续和高效利用涉及到岩层的沉积环境、岩层热物性、水文地质参数、地球化学、地热能等多个学科领域。本文结合《京津冀协同发展黄骅、海兴地区1:50000环境地质调查》对黄骅地区第Ⅳ含水组地下水系统进行了野外抽水试验、水样分析和数值模拟分析,得到研究区域地下水流场、地下水温度场、地球化学特性。并探讨地下水源热泵机组冷流体回灌对水文地质的影响,初步划分地下水源热泵系统适宜区域,为相关理论研究和实践应用提供参考。本文研究结果如下:（1）首先对研究区域地下水的第Ⅳ含水组进行水文地质调查。通过钻孔取芯和野外抽水试验,得到重点区域岩层分布特性和水文地质参数。HHSW04-01钻孔含水层厚度和平均渗透系数分别为:57.6m、39.6m、80.1m、37.5m和2.2m/d、2.7m/d、3.3m/d、2.0m/d。随着降深的增加,影响半径逐渐增大,单位涌水量逐渐减小。单位涌水量在1.6-3.9L/（s·m）之间,属于强富水性。地下水p H值为7.9-8.3,水化学类型以Cl-Na为主,其次是HCO3-Na和SO4-Na型水。（2）采用阳离子温度计对水源热泵系统应用靶区的储层温度进行预测。结果表明:研究区域地温梯度为2.9-4.3℃/100m;热储层能达到的温度或地热水曾经达到的温度为51-60℃,地热流体循环深度约为1105-1315m,属于低温地热资源中的温热水。（3）基于有限元模拟软件FEFLOW,建立了研究区域第Ⅳ含水组地下水的三维数值模型,采用2010年06月至2010年12月期间的地下水变化趋势对模型进行验证。采用2017年12月为现状的地下水开采量分析对研究区域地下水位的影响,并预测未来5年地下水水流场概况,为水源热泵系统适宜区域划分提供参考。结果表明:单井开采流量越小,降深越小,易趋于稳定。在相同抽水流量下,小流量、小降深间断性抽取,对含水层水位影响较小;研究区域地下水补给主要来自西北部和南部地区;西南地区受沧州市东部工业区地下水开采的影响,地下水水位补给困难;西北部地区引用黄河水,停止对地下水的开采,地下水位恢复比较明显;东部地下水开采较少,地下水位变化较小,海平面以下地下水基本呈滞留状态;地下水水位下降主要集中在市区周边和工业区附近,降深将在5-10m,属于开采疏干型。（4）通过分析重点区域热贯通过程中对含水层温度场的影响,并结合地下水流场、温度场变化、化学场、以及未来五年地下水位变化趋势,初步划分水源热泵系统的适宜区域。结果表明:研究区钻孔HHSW01所在的南部沿海地区地下水温度相对较高、水位埋深较浅、渗透系数大、富水性、出水温度相对较高、回灌对温度场影响范围相对较小、属于研究区上游区域,是实现水源热泵机组经济、高效、稳定运行的适宜区域。

关键词： 地下水源热泵   节约能源   变频控制  

摘要： 本篇文章主要是从湖南某宾馆所用到的地下水源热泵中央空调系统的运用情况,然后结合它的自身特点提出系统空调水泵从而进行变频控制节能改造的方法的方法和建议,而且可以用当量峰值小时数法从静态回收期和节能型俩个方面可以认证这个方法的可行性.

关键词： 地下水源热泵   能效比等级   LVQ神经网络   优化控制  

摘要： 地源热泵技术是一种采暖、制冷的空调系统。它利用地球表面的浅层地热资源作为能量转换的冷热源。它几乎不受地域,资源的限制,应用范围广。地源热泵系统是一个总称,地下水源热泵系统是其中一种,并且在生活中应用越来越多,也备受关注。通过查阅相关文献,对地下水源热泵系统的研究以及其发展方向进行了总结。首先,研究唐山市某建筑物中的地下水源热泵系统,对夏季工作情况进行监测,同时进行数据的收集,分析影响系统能效的因素,再进行能效比的计算,分析该系统是否完全实现节能的要求。然后,对能效比进行等级的划分,并根据划分的结果和测试得到的数据来进行LVQ神经网络的建立。对系统进行LVQ神经网络能效比等级预测模型的建立,将所采集的数据分为两个部分,前40组作为网络的训练样本,后20组作为测试样本。通过MATLAB编程,对EER等级进行仿真测试。最后,将LVQ神经网络与BP神经网络所得的结果进行对比,结果表明:LVQ神经网络能够很好地应用到地下水源热泵系统EER等级预测中,比BP神经网络相比LVQ神经网络节省了时间,准确度有所提高,外推能力强。但是该建筑的地下水源热泵系统在节能程度上存在着不足。针对预测结果中出现的不满足要求的情况进行优化。图25幅;表8个;参56篇。

关键词： 农村采暖   能源消耗   地下水源热泵  

摘要： 通过对沿海渔村采暖现状的调查可知,由于沿海渔村住宅分散性大,无法实现大规模集中供热,因此,普遍采用土制采暖炉等传统采暖方式,但这些采暖方式一般热效率低、耗煤量大,同时对大气造成严重污染。因此,需要一种高效节能的采暖技术改变村庄的采暖状况。地下水源热泵技术以其高效节能、绿色环保、低运行成本、可持续利用的特点得到广泛关注。