关键词： 地下水源热泵   适宜性评价   水热耦合数值模型   温度场   西安市  

摘要： 地下水源热泵系统是一种高效节能的地热能开发利用技术,近年来在西安市得到一定的推广和利用。但目前西安市水源热泵缺乏系统的规划思路,在实际应用中存在盲目选址或只凭经验布井的现象,导致水源热泵系统回灌效率降低,同时加剧了含水层热贯通、热污染现象,长期运行后系统换热效率低下,继而影响水源热泵的利用效率和使用寿命。针对上述问题,本文对西安市平原区承压水源热泵适宜性进行了评价,并研究了不同情景的含水层温度场分布特征,为西安市水源热泵规划和设计提供科学的参考依据。其主要研究成果如下:（1）建立了基于一般因子和特殊因子的水源热泵适宜性二级评价模型,利用层次分析法、基尼系数赋权法、综合指数法等方法对一般因子进行适宜性一级评价,并在此基础上利用一票否决法对特殊因子进行适宜性二级评价,确定了西安市地下水源热泵适宜区面积为3300.36km2,不适宜区面积为6807.64km2。（2）在水源热泵应用调查和现场抽回灌试验基础上,根据水力学、热力学原理和参考地源热泵系统工程技术规范,确定地下水源热泵适宜区多孔介质参数（渗透系数、导热系数、比热容、热弥散度）和井群结构参数（抽灌比、抽灌井距）,为西安市水源热泵抽回灌量和井群优化设计提供科学的参考依据。（3）构建了水源热泵含水层水热耦合数值模型,利用FEFLOW软件模拟地下水天然流向恒定和流向变化条件下含水层温度场分布特征。结果表明,在直线型异侧回灌的一抽两灌水源热泵系统中,地下水流向变化条件下含水层温度场影响范围大于流向恒定的情景,前者容易造成抽水井热贯通现象,对抽灌含水层造成的热污染也更严重。（4）鉴于地下水源热泵应用中存在不等厚含水层和非完整井的特殊情况,利用FEFLOW分别模拟等厚与不等厚含水层、完整井与非完整井情景下一抽两灌系统（忽略天然流场）的温度场变化规律,并对比分析了含水层温度场分布特征。对比发现,在不等厚含水层抽回灌系统中,厚度较小一侧更易发生热贯通现象,该侧布井时应增大抽灌井距;在非完整井抽回灌系统中,含水层热量水平运移速率远大于垂直方向,因此非完整井更易引发热贯通,对含水层的热污染也更严重。

关键词： 供暖热源   地下水源热泵   地下井群结构   数值模拟   运行测试  

摘要： 节能减排是当今世界面临的重大社会问题之一,而高效清洁能源用于建筑供暖是其关键环节。利用逆卡诺循环原理,地下水源热泵系统把存储在浅层恒温的地下水中的热量提取出来,以满足建筑供暖的需求,具备较高的运行效率以及较显著的环境效益等特点,应用前景非常广阔,而取水井和回灌井的井群结构特性是地下水源热泵系统能否持续高效运行的关键所在。由于供暖季回灌井回灌水温低于地下含水层的初始温度,必然导致回灌井周围土壤温度的缓慢降低,如果取水井和回灌井的设置不合理,要么造成土地资源和管路系统的浪费,要么导致取水井出水温度随运行时间明显降低,发生热贯通现象,从而制约热泵系统的高效运行及供暖能力的降低。本文取水井和回灌井的井群结构特性包括水井数量及其配比、水井直径和深度、水井间距等内容,涉及土壤孔隙率、含水率、水扩散率等众多影响因素。纵观地下水源热泵技术近年来的研究和应用情况可以得出,一方面,实际工程项目的长期连续监测和分析成果仍显缺乏,尤其张掖地区;另一方面,地下井群的结构特性是地下水源热泵系统持续高效工作的必要前提,但其数值计算模型和方法有效性的实践验证有待补充。本课题首先针对张掖地区一地下水源热泵热源系统进行了长期连续的监测,并以此对其性能和适用性进行了分析,得到了其比较合理可靠和经济有效的结论;其次,以此为研究对象进行了物理建模,并且应用gambit和fluent两个软件对其进行了数值计算分析,得到了课题所用数值模型和方法可靠有效的结论,以及地下井群的结构型式和热工特性,包括取水井和回灌井间距、半径等参数与地下温度场的相互关系。本文研究及所得结论可为地下水源热泵系统,尤其张掖地区的工程应用提供参考。（1）不论是从经济效益、社会效益,或者是用户单位对热源运行管理的可控性等方面,地源热泵系统供暖方案都不失为一个优选方案,且符合当下国家的政策。（2）本项目地下水源热泵机组测试期内,热源系统、热泵大机组、热泵小机组的COP值合理,说明本项目地下水源热泵机组性能稳定、经济有效;虽然始终为一套机组运行,但测试用户室内温度能够达到设计要求,也说明热源方案及其设计较合理。（3）虽然地下水源热泵系统的取水井、回灌井之间的距离越大,其产生热贯通现象所需要的时间就会增加,发生程度也越轻微,但考虑实际工程项目的场地限制,应尽可能减小水井占用的面积。张掖地区目标模型条件下,地下水源热泵取水井和回灌井最佳间距为50 m左右。（4）水井半径对热泵系统稳定运行几乎没有影响,实际工程中,一般依据《管井技术规范》和勘测资料确定最合适的井半径,约为0.3m0.5m。（5）为了维持地下水源热泵系统可以长时间的工作运行,注意定期对水井进行维护,以免长期使用可能造成水井堵塞、回灌困难等问题。

关键词： 地源热泵   地下换热性能   地埋管换热器   地下水源热泵   同轴套管换热器  

摘要： 本文采用FEFLOW有限元数值模拟软件,对单U形地埋管、同轴套管换热器及地下水源热泵对井系统地下换热性能进行模拟分析。主要内容如下:U形地埋管换热器:不考虑含水层温度变化时,定量分析了埋管进口流速、含水层位置、厚度、渗流速度对换热性能的影响。结果表明,进口流速增加可增强换热器换热性能,本文条件下最佳进口流速为0.8m/s。含水层位置对管内温度沿深度方向分布有一定影响,对换热性能影响较小。当含水层厚度为10、20、30m时,渗流作用对换热性能产生影响的临界渗流速度（Pe）分别为1.89×10-6m/s（Pe=25.2）、1.02×10-6m/s（Pe=27.2）、6.98×10-7m/s（Pe=27.9）。考虑地下水补给区季节性温度变化时,距离地下水补给区越近,地埋管周围含水层温度的年周期变化幅度越大,换热性能更倾向于受季节水温变化与渗流速度变化的二者耦合影响,且表现出不同程度的季节效应。随含水层厚度增加,地埋管单位井深换热量总体上呈线性增大趋势。地下水源热泵对井系统:定量分析了井间距、水力坡度、运行及回灌模式对系统换热性能及周围含水层温度场影响。结果表明,井间距及水力坡度增加均有利于延缓热贯通现象发生时间,降低热贯通现象发生程度,本文条件下对井系统最佳井间距为100m。井间距较大时对井系统季节性交替使用有利于提高系统运行效率。相同井间距时异层回灌热贯通现象发生晚、程度低,采能效率高。同轴套管换热器:定量分析了进口流量、内管材料、循环流体流动方式、渗流作用及地温梯度对换热器换热性能影响。结果表明:浅层利用时,采用PPR、PE内管时换热器回水阶段热损失分别为25.60%、32.56%,循环流体流动方式对换热性能无影响。深层利用时,采用PPR、PE内管时换热器回水阶段热损失分别为21.03%、34.90%,“外进内出”方式下换热量较“内进外出”方式高15.45%。随地温梯度增加,换热器单位井深换热量呈线性增大趋势。当含水层厚度为10、20、30m时,临界渗流速度（Pe）分别为1.10×10-6m/s（Pe=14.7）、5.71×10-7m/s（Pe=15.2）、4.11×10-7m/s（Pe=16.4）。

关键词： 水源热泵   BIN算法   DeST模拟  

摘要： 随着社会经济的迅速发展,我国能源供给不足与环境污染问题日益凸显。因此地下水源热泵这种绿色节能的空调技术应运而生。该项技术虽然在我国的起步较晚,但发展较为迅速。鉴于它具有能源利用率高、污染小、运行费用低以及操作方便等众多优势,使其在我国得到广泛的应用。地下水源热泵起源于上个世纪初期,在发展至今的数十年中得到了较为广泛的应用,但因其独特性使其发展速度受到了一定的限制。地下水源热泵有着清洁环保,节约能源的显著特点,在能源日益受到关注的今天,随着“节能环保,绿色建筑”的大力提倡,国家发改委、财政部等部委从政策上给予“节能型地(水)源热泵系统”明确性补助,预示着地水源热泵逐步发展的方向,相信地下水源热泵是值得推广与应用的供热及制冷方式,有着广阔的发展空间。然而水源热泵因受条件所限也并不是所有地区都适合。本文对地下水源热泵发展及其工作原理做了简要的叙述,对其优缺点进行了多角度的评析,就朝阳市龙湾新城小区水源热泵系统的可行性进行了分析;运用BIN算法及DeST软件分别对朝阳市龙湾新城小区的一号楼与二号楼的负荷及能耗进行模拟计算。对二者得出的结果进行对比分析,结果得出在在夏天空调温度为26度,冬天空调温度为18度条件下,BIN方法所得的冷负荷指标比DeST模拟所得冷负荷指标要小一些,原因是BIN只考虑了几个较大的负荷,忽略了对结果影响不大的负荷。两种计算方式趋势一致。对朝阳市龙湾新城小区的水源热泵系统从冷热源的选择、负荷计算、机组选型等方面进行了初步设计,并就使用集中式水源热泵系统和分散式水源热泵系统进行了成本分析。通过将分散式水源热泵与集中式水源热泵的运行费用的比较得出,当空调使用率10%时,集中式水源热泵系统的运行费远比分散式水源热泵系统高;当满负荷运行时,集中式水源热泵运行费用比分散式水源热泵省27.38万元;空调使用率越低,分散式水源热泵中央空调系统节能的优势越明显,但在实际运行时,分散式水源热泵系统更节能。

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： AO   全钒液流电池   FRP   地下水源热泵   抗震性能  

摘要： ~~

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。