关键词： 水源热泵   开发利用   地下水动力场   影响研究析  

摘要： 为分析研究水源热泵开发利用对地下水动力场的影响,选取安阳市金秋能源科创大厦地下水源热泵系统为实例工程,利用试验场观测数据建立地下水热耦合数值模型,对现状条件及长期开发利用条件下水源热泵开发利用对地下水动力场的影响进行分析预测。研究结果表明:在长期开发利用情况下,地下水的区域流场受抽灌水作用的影响范围较小,影响半径小于100 m。系统在多年运行的情况下,同期地下水流场基本相同,系统对地下水流场的影响范围比较稳定,没有进一步扩大的趋势。

关键词： 地下水源热泵   渗流场   温度场   应力场   数值模拟  

摘要： 阐述了地下水源热泵的基本理论,建立地下水源热泵饱和土体渗流场—温度场—应力场耦合数学模型,运用comsol软件模拟沈阳某地下水源热泵使用区的三场变化规律,结果表明渗流场的变化引起温度场和应力场的变化,温度场和压力场都是时间的函数。

关键词： 地下水源热泵   太阳能辅助热源   浅层地热能   TOUGH2   数值模拟   地温场   强化设计  

摘要： 地下水源热泵系统的地温场数值模拟研究对浅层地热能开发利用项目具有重要意义。通过TOUGH2建立地下水源热泵系统的水-热耦合模型,模拟了研究区多年地温场变化趋势以及抽灌井温度变化。结果表明地下水源热泵系统运行10年后部分组团出现大量冷堆积现象,影响供暖温度。依据本结果,结合场地条件,针对冷堆积现象采用太阳能辅助热源系统进行系统强化设计,并模拟研究强化后的地温场多年变化趋势,结果表明太阳能辅助热源系统可以有效提高供暖温度。

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   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： 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。