关键词： 地下水源热泵   优化布置   地下水—热耦合   地热开采效应   数值分析  

摘要： 地热能是一种新型的洁净能源,随着地下水源热泵以及钻井技术的发展,地热能得到了广泛的开发利用。在浅层地热开发过程中,地下水源热泵系统的好坏、优劣与当地的水文地质情况以及布井方式密切相关,而由于地层结构的复杂性,深层地下热水的开采也存在诸多不确定性。本文针对山东省齐河地区浅层及深层地热资源的开发利用,通过阅读工程背景及学术论文资料,综合采用理论分析、现场试验、物探和数值模拟等方法,对研究区地下水源热泵抽灌井优化布置以及深层地下热水资源开采效应进行研究,主要研究内容如下:(1)分析总结工程背景资料及相关理论。在充分了解研究区地质构造、水文地质条件与地热地质条件的基础上,结合地下水渗流、地下多孔介质传热基础理论,为构建地下水—热传输耦合数值分析模型打下基础。(2)通过现场试验求取相关水文地质参数。在研究区内施工水文地质勘探孔,实施了现场稳定流抽水与回灌试验,求取目标含水层的渗透系数、单井涌水量曲线方程、允许开采量以及平均回灌率,对地下水进行腐蚀性与结垢性评价,确定本区地下水不会造成设备的腐蚀以及管道堵塞。(3)对地下水源热泵抽灌井优化布置开展数值模拟研究。利用数值模拟计算单组及井群抽灌井在直线型、L型和半圆形布置方式下夏季制冷期和冬季供暖期的地温场以及抽水井温度的变化,确定抽灌井合理井距为48m,井群采用抽水井温度变化最低的L型布置,最后对地下水源热泵的运行布置提出合理化建议。(4)开展地面物探工作,了解研究区深层地层结构特征。利用CSAMT法、MT法以及电阻率测深法对研究区开展地球物理勘探,推断奥陶系热储层岩石破碎或岩溶发育位置,根据物探结果确定地热井井位、井深及取水段位置,估计地热井出水量、水温和水质状况。(5)进行深层地热开采效应数值模拟研究。构建数值模型研究不同出水量工况下地热井长期开采的压力及水温,对开采30年的放热量、单位面积可采热储存量进行计算,确定地热井保护范围及合理井距。针对四种工况下地热井正常开采及超采的地面沉降状况展开模拟预测,给出地热资源开发利用的建议。

关键词： 地下水源热泵   能效指标   约束值   引领值  

摘要： 地下水源热泵是一项节能高效、环境友好型的供热、供冷技术,近年来在暖通空调领域得到了广泛应用。然而,大量的测试数据表明,地下水源热泵系统实际运行的能效与设计能效相比偏低,使该项技术的节能优势没有得到很好的发挥。研究表明,地下水源热泵系统实际运行的能效与系统配置、运行策略、管理水平、地理条件等因素有关。我国目前虽然已经制定了可再生能源系统运行相关的规范,但是对地方性指标实施细则的可操作性较差,而且并没有考虑系统约束性指标与引领性指标的问题。因此,开展地下水源热泵系统实际运行能效指标确定方法研究,确定其指标的约束值与引领值,是促进该项技术节能推广、指导实际运行的一个关键问题。本文首先对陕西省内实际运行的热泵系统进行实地调研,得到了地下水资源条件、系统配置以及节能措施等信息,为系统级别的合理划分提供依据以及系统的模拟提供计算条件。其次,基于国家标准建立地下水源热泵系统能效指标评价体系,采用单位建筑供暖面积能耗e以及系统性能系数COP综合指标评价系统能效;采用水源侧耗电输热比EHR-h(S)、热泵机组季节性能系数SCOP、负荷侧耗电输热比EHR-h(L),分别评价水源侧输配系统、热泵机组以及负荷侧输配系统的能效。再次,本文在系统合理分级的基础上利用软件TRNSYS17对地下水源热泵系统进行仿真模拟,分别给出关中以及陕南地区不同级别的地下水源热泵系统实际运行能效的约束值和引领值,为陕西地区地下水源热泵系统节能运行实施细则的制定提供参考和依据。最后,本文对陕西地区某一实际运行的地下水源热泵系统进行现场测试,将系统运行能效指标与约束性以及引领性指标进行横向对比,评价其运行水平;同时针对热泵系统实际运行中出现的典型问题进行统一分析及总结,阐明了提高能效的改进方向,以期指导地下水源热泵系统节能运行。

关键词： 温室调控   空调供能系统   地源热泵   地下水   动态热负荷  

摘要： 研究我国大型温室低成本供能方式，对促进大型温室健康稳步发展具有重要意义。针对大型玻璃温室在运行中存在成本高、稳定性差、生产管理混乱、长期运行耗能没有指标等问题，本文通过研究崇明温室的供热情况，分析长期运行数据，以节能和降低成本为目的改善温室调控方法，得出以下结论：　　(1)在室外下雪，天气温度较低的典型周中，地下水源热泵系统仍然可以使温室内部维持15℃以上，热泵COP在4以上，输出功率稳定。蓄热水箱的热水充满率在20%-91%之间，良好的响应了上海市电价峰谷政策，同时热水不会耗尽。地下水井的出水温度可达20℃。水蓄能型地下水源热泵系统可在极端寒冷天气下正常工作，保证温室内植物正常生长。　　(2)利用温室建筑物理模型，并考虑通风、遮阴帘幕影响，对温室典型日能耗进行研究。结果表明，当天热负荷峰值为767.9kW，全天总能耗42.41GJ，典型日当天热泵输出能量与温室利用能量、蓄热水箱蓄积能量之和基本相等，说明模型的准确性。利用卡尔曼滤波法对热负荷结果进行优化并代入Matlab中求解，得出滤波后的全天供热能耗平均值为479.30kW。与滤波前相比，相对误差为0.63%;滤波后当日温室总能耗为41.87GJ。与滤波前相比，其相对误差为-1.3%。说明滤波方法可以代替计算热负荷结果，作为调控温室供能方法的依据。　　(3)选取热泵供热季为2016年1-3月共91天，作为研究供热特性的时期。利用卡尔曼滤波法对供热季七小间温室共5580m2的热负荷进行优化，对优化结果进行分析，得出热泵运行时间段的调整方案。同时提出温室供热现有的三种不合理控制问题给出改进方案，计算改进后的节能、节电量。第一种问题经计算后，得出供热季热泵可减少输出总计21.55GJ，根据耗电数据可以节约1012.5kWh，折合成电价为节约747元;对于第二种问题，当设定热水充满率上限为85%时，在保证热泵能够足够给温室供能的前提下，可减少热泵输出97.18GJ的能量;第三种问题经过优化后，假设热泵在低谷价格时间段使用，同样输出这些能量，所耗电量转化为成本：一月份理论可节约8009.04元，二月份可节约4371.78元，三月份可节约668.52元;考虑实际工况，第一季度热泵可有140.25GJ的热量转移到平价阶段输出，节约电量总计8654.07kWh，合5530元。　　(4)利用TRNSYS构建温室模型，对典型年供能进行全年模拟，得到不同月份的制冷、供热能耗以及占全年能耗的比例，并输出温室内部温度。模拟供热季总能耗为2338.29GJ，与前文计算值相差-0.98%，模拟结果较精准，可以应用于Venlo型温室的能耗系统规划和计算中。改进温室运行策略后的模拟结果表明若7、8月份停止种植植物，温室供能系统不运行，则全年制冷总能耗可节约56%，共计767.48GJ。此外，如果要保证所有植物都处于适宜生长的最佳温度，模拟结果表明，全年温室热负荷峰值为1502.6kW，冷负荷峰值为913.8kW。全温室年制冷能耗共3799.12GJ，制热能耗共4468.34GJ，全温室全年能耗共8267.46GJ;A8及其周围3间温室A6，A7，A10可作为一个区域单独供能。这个区域利用了其建筑结构特性达到降低能耗的效果，模拟表明地源热泵供能系统足够供应这四间温室的能耗，甚至可达到其内部种植菜蔬的最优温度条件。

关键词： AO   全钒液流电池   FRP   地下水源热泵   抗震性能  

关键词： 地下水源热泵   生化复合堵塞   堵塞治理   氧化还原电位Eh  

摘要： 地下水源热泵系统缓解了传统能源的压力因此得到了较好的推广应用,但工程运行中还存在一些问题,其中回灌堵塞导致的回灌量减少造成地下水资源浪费是较为复杂的问题,是地下水源热泵工程推广的难题。为此,众多学者开展了研究,在堵塞机理方面已有较为成熟的成果,但在治理堵塞方面的研究较少,为此,本文以沈阳理工大学地下水源热泵工程为例,掌握水源热泵回灌化学、生物堵塞的规律,提出治理回灌堵塞的措施,模拟预测方案的可行性,解决理工大学水源热泵工程运行问题。研究区处在浑河冲积扇的一级阶地区,地下水埋深为8.0～12.0m,水温为9～11℃,适合地下水源热泵工程的建立。研究区铁离子浓度在1.5～2.5mg/L及以上,属于铁含量较高地区,易发生回灌井堵塞。通过工程运行现状及水质特征分析回灌井可能会发生生化、气体堵塞,并在项目所在地地下水中检测出了两种导致堵塞的细菌SRB及FB,同时,在铁含量较高地区中,Fe2+为化学堵塞的主要因素,Mn2+基本不参与水源热泵的化学堵塞。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,在细菌处于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共同作用导致介质的渗透性能下降,并与SRB等产气菌产生气体,发生气阻作用有关。通过XRD衍射分析,在生物堵塞试验结束后,有不溶性FeS和Fe3O4生成,致使含水介质的渗透性能降低。通过ICP-MS分析,在原砂样的基础上有铁锰氧化物的生成,所以回灌堵塞往往是复合堵塞。这是本文的特色之一。加入C102使渗流砂柱内的Eh增高破坏了 SRB的生活环境,抑制SRB的繁殖、促使多糖与蛋白质流失导致EPS含量骤降,并消除了 SRB进行硫呼吸时产生的H2S及H2S与水中Fe2+结合生成的FeS,使得含水介质的渗透性恢复;加入NaClO损害细胞膜致使细菌死亡,土壤中pH升高,EPS含量降低,孔隙度回升水通量得到恢复堵塞缓解。证明加入化学试剂提高Eh、pH值杀灭细菌缓解生物堵塞的方法可行。这是本文的特色之二。建立地下水的水流和水温模型,提出两种补偿方案,方案一模拟时回灌井水量为28m3/h,需要增设16眼回灌井;方案二根据室内试验得出规律模拟时回灌井水量为35.36m3/h,需要增设4眼回灌井。两种方案在水流模型中采暖期与制冷期工程项目抽水井与回灌井附近均形成了漏斗区及反漏斗区,影响范围分别约为190m和210m左右。在水温模型中,模拟一年期间的地下水温最高温度为17.5摄氏度,最低温度为5摄氏度,均可达到冬季换热量5K,夏季制冷量7K的要求。该项目采用地下水源热泵工程冬季采暖和夏季制冷对区域地下水温影响很小。两种方案中取回水的设计及井位的布置均较为合理,方案可行。本文以沈阳理工大学为例,通过本次研究勘查资料、现场回灌试验及室内渗流砂柱堵塞试验掌握化学堵塞、生物堵塞及控制复合堵塞的规律,对水源热泵的堵塞防治研究有着重要的理论意义及实际意义,为相关研究提供指导。

关键词： 地下水源热泵   输水管道   保温材料   回灌井堵塞   保温层厚度   合理布井   方案选择  

摘要： 地下水源热泵作为新兴的节能技术,已成为当今国内外的研究热点,但在开发利用过程中还存在换热效率较低、回灌井堵塞、热贯通等问题,如何提高换热效率是水源热泵工程关注的重点问题。本文以铁西华晨宝马新建发动机厂区水源热泵系统作为研究对象,针对其在试运行期间存在回灌堵塞、夏季温度过高、水质较差等问题,开展了实验-理论研究,以期达到提高该项目水源热泵系统的换热效率。本文首先对铁西华晨宝马发动机水源热泵系统出现问题进行诊断,发现由于研究区地下水内铁锰含量很高易引起铁质回灌井发生堵塞,输水管道保温结构不够完善,使得夏季时输水管道内水温偏高,降低了该项目水源热泵系统的换热效率,增加了需水量;因抽水井临近细河分布,抽水水温、水质均受细河影响,会影响水源热泵系统的换热效果,增加水源热泵系统的运行安全隐患。通过室内砂柱模拟回灌试验,分析铁、锰离子含量对铁、不锈钢材质回灌井的堵塞情况,提供选材建议;对输水管道在土壤中的散热进行模拟,分析不同保温材料、不同保温层厚度的散热效果,提供保温层优化参考;建立了水流,水温及水质数学模型,模拟新、旧布井方案的水位和水温的变化趋势,并结合其他因素提供最优方案来提高该水源热泵项目系统的换热效率。本文主要研究内容如下:(1)室内回灌试验。配比不同铁锰离子浓度的回灌水,通过对比不锈钢管、铁管两种回灌井管材回灌试验效果,从而分析出造成回灌井堵塞的原因并为项目提供回灌井选材建议。结果发现,只是升高锰离子浓度并没有影响到堵塞情况,回灌井发生堵塞主要是由铁离子引起的,随着铁离子浓度的升高,铁质回灌井更容易发生堵塞,不锈钢回灌井并未发生堵塞。因此,该项目在经费许可的条件下,建议使用不锈钢回灌井。(2)保温材料、保温层厚度的模拟。通过Gambit软件建立模型、划分网格及设定边界条件,对两种模型八种不同的工况进行模拟,其模拟结果显示,不同材质、不同厚度的保温层传热效果差异巨大,由于导热系数、保温层厚度的不同使得水管内流体温度与土壤之间的换热梯度差别很大,但是实际工程并不是选用传热系数越低、厚度越厚的材料才是最好的,而是应该结合工程实际情况,选用经济效益最为合理的材料和经济厚度(3)地下水数值模拟模型的建立。为模拟不同取回水方案地下水水位、水温、水质的变化趋势,建立地下水数值模拟模型,利用Feflow软件对华晨宝马地下水源热泵项目新旧点位取水的合理性和可靠性进行模拟,对比新旧两种方案五年后的水位、水温、水质的变化趋势,发现5年期间新方案的回灌水的温度、水位和水质情况较旧方案更加合理,并对比五年后采暖期和制冷期的模拟结果,发现新方案的影响半径以及对污染物的扩散迁移范围和污染浓度情况都优于旧方案,表明新布井方案的合理性。(4)布井方案的优化选择。本次研究从经济效益、环境效益技术效益等角度出发,通过选择水文地质条件、换热效率、建筑负荷、施工环境、对已有水源热泵工程影响以及投资和对细河污染物扩散迁移影响等因素作为评价指标,建立评价体系,构造新旧两种方案中评价指标的判断矩阵,采用层次分析法确定权重,利用物元模型评价,评价结果新方案的为“良”,旧方案评价结果要比新方案差,确定新方案为最优方案。针对这些问题,本论文结合理论、实验以及模拟,为华晨铁西宝马发动机工厂地下水源换热效率低下的问题提供新的解决方案,也为其他地下水源热泵的设计提供指导意义。

关键词： 水源热泵   热贯通   抽灌井   优化布置  

摘要： 为研究地下水源热泵系统抽灌井的合理布置形式,避免在抽水及回灌过程中发生热贯通,进行抽水与回灌试验取得涌水量、回灌率及含水层渗透系数等,以三维地下水渗流和地下多孔介质传热为基本理论,建立地下水源热泵抽灌系统的三维模型,模拟不同抽灌井布置条件下地温场及抽水井温度的变化情况,依据热贯通发生的时间和程度,选取抽灌井的最优布置形式,结果表明,在运行期内抽灌井采用直线型布置时,抽水井温度升高最少,热贯通发生时间最晚,抽灌井间距以取48m为宜。

关键词： 浅层地温能   地下水源热泵   地埋管式地源热泵   存在问题与对策  

摘要： 浅层地温能的开发利用在我省已广泛展开,十多年来,各市县在政府投资和商业出资情况下,或多或少的在利用地下水源热泵和地埋管式地源热泵进行取热和制冷。近几年来,政府又投入大量资金扶持和鼓励开发利用这一可持续的节能环保型新能源。通过现状调查发现,存在盲目开发利用的问题。针对存在的问题,经过研究分析,提出些对策和解决方法,以便更好的开发利用浅层地温能。

关键词： 地下水源热泵   层次分析法   基尼系数赋权法   GIS技术   适宜性评价   西安市  

摘要： 为提高水源热泵适宜性评价结果的合理性,利用富水性、回灌率、渗透系数、含水层厚度等13个参评因子构建了西安地区浅层承压水水源热泵适宜性评价指标体系。通过层次分析法、基尼系数赋权法确定评价指标的权重,在GIS技术支持下,建立适宜性二级评价模型,将适宜性划分为4个等级,并分析了浅层承压水水源热泵适宜性分布状况。结果表明:浅层承压水水源热泵适宜区面积为1 144.32 km2,较适宜区面积为1 393.57 km2,一般适宜区面积为762.48 km2,不适宜区面积为6 807.63 km2。适宜区总面积达3 300.36 km2,占人类主要活动区面积的76.98%,浅层承压水水源热泵技术有较好的应用前景。

关键词： 地下水源热泵   井布局   热突破   温度场  

摘要： 通过建立三维热湿耦合数值模型,对对井系统及井群系统不同布局方式及抽灌方式下地下含水层温度场变化情况。结果表明,抽-灌井方向与地下水流动方向一致时,热突破发生最慢,程度最弱;采用一抽二灌井群系统时,三口井位于同一直线的布局方式下,系统对地下含水层温度影响范围最大,但热突破程度最小;L型布置时,热突破程度较大,但温度场影响范围最小。