关键词： 地下水源热泵   室内砂槽模型   井间距   四场耦合  

摘要： 地下水源热泵是以地下水作为低位热源,并利用热泵技术,实现冷热量由低位能向高位能的转移,从而达到为使用对象供热或供冷的一种系统,有节能、经济、环保、使用灵活等特点。但是,受地下水源热泵系统的复杂性和区域性差异较大等因素的影响,各地区管理规定和设计技术规范不完善,地下水源热泵抽灌井布局、回灌水温度控制等参数大多凭借经验决定缺乏相应的科学指导,因此一些已投入使用的地下水源热泵系统在运行过程中暴露出采灌井之间发生“热贯通”、地面沉降等许多与环境、安全相关的问题。为了进一步完善地下水源热泵抽灌井群设计,对西安市地下数源热泵的开发利用提供科学参考。本文以西安国际港务区迎宾大道高新地产枫林九溪地下水源热泵系统为例,基于几何相似原则、动力相似原则、运动相似原则、边界条件一致原则的基础理论之上,设计并建立室内物理砂槽模型,模拟地下水源热泵在实际运行过程,并通过温度传感器和压力等传感器监测在模拟运行过程中砂槽内部温度、水质、流量和抽灌过程中沉降等变化。应用水文地球化学方法、AquaChem、PHREEQC等软件对模拟抽灌过程进行模拟计算,结合作图软件分析水源热泵系统在运行过程中抽灌井之间的合理井间距、建筑物与抽灌井之间的安全距离、以及砂槽试验过程中渗流场、温度场、化学场、应力场之间的相互关系。试验结果表明:砂槽试验中的模拟安全距离30m与流量、采灌比、渗透系数同等条件下枫林九溪地下水源热泵实际运行中的抽灌井距经验值28m基本一致,验证了本次砂槽模型试验的可行性和可靠性;地下水源热泵抽灌井之间的合理井间距、建筑物与抽灌井之间的安全距离随抽水量、采灌比、抽灌井之间的布局、水文地质参数、上覆荷载等参数的变化而变化;“直线同侧布局”和“扇形布局”条件下热贯通现象比在“直线异测布局”和“三角布局”条件下热贯通更加显著,说明同等条件下“直线异测布局”和“三角布局”较“直线同侧布局”和“扇形布局”较更不容易发生热突破;受温度及采灌系统材质的影响、水岩反应的影响发生沉淀的主要成分是以赤铁矿、菱铁矿为主的含铁类矿物,其次受温和水岩反应影响发生少量沉淀的是以白云石为主的碳酸盐类矿物,在温度变化过程中几乎不发生沉淀的是以石膏、硬石膏为主的硫酸盐类矿物,温度变化过程中会发生微量溶解的是以玉髓和石英为主的铝硅酸盐类矿物;总体而言在温度变化过程中沉淀量大于溶解量。在地下水源热泵运行过程中,随着运行周期的循环和温度的交替变化,含水介质的水岩作用会进一步加强,积累更多造成地下水源热泵回灌受阻的沉淀物;室内砂槽模拟试验过程中渗流场与温度场、渗流场与应力场、温度场与化学场之间相互耦合作用明显,其余各场之间联系不显著。本文的初步研究成果,为西安市砂槽物理模型试验积累了宝贵经验,也为水源热泵抽灌井群规范提供了技术支持,为水源热泵的可持续开发利用提供了科学依据。

关键词： 水源热泵   回灌   井间距   取水井   回灌井  

摘要： 尽管地下水源热泵系统在改善大气环境质量、节约能源、减少污染等方面贡献突出,但也会导致一些地质环境问题:由于地下水回灌技术不成熟,可能导致不均匀的地面沉降和地下水的枯竭;不合理的抽水井和回灌井布置会产生“热突破”,这种现象将使地下水源热泵系统的换热效率降低;在抽水井和回灌井周围,局部地下水的温度场出现持续且不同程度的变化,将会使微生物生长环境和地下水的化学组分发生明显的变化,从而引发物理堵塞、化学堵塞以及结垢问题,以致于增加工程维护费用。近年来水源热泵空调系统的应用越来越广泛,但由于技术的不足抽灌井井群的规划设计缺乏理论支持,一些已建成的水源热泵空调系统的运行现状不尽人意。回灌是水源热泵运行过程中的决定性因素,本文分析了水源热泵回灌水质、回灌量、回灌方式,并得到回灌不畅的原因,总结了避免回灌不畅的方式。水源热泵系统的应用受到地域、气候等条件的限制。不同的地区具有不同的地质结构,其对水源的出水,回灌等技术都有不同的要求。由于地下水源热泵系统抽灌井设计间距受多方面的因素制约,必须综合考虑各因素确定合适的间距以利于地下水源热泵系统的高效运行。本文通过理论分析确定水源热泵场地抽灌井的参考距离,并对沈阳市应用水源热泵项目进行实地调研,了解目前水源热泵应用过程中回灌状况和温度变化状况,通过实际工程项目的经验确定合理的抽灌比以及水源热泵场地抽灌井的参考距离,为水源热泵空调系统抽灌井井间距布置提供理论依据。研究获得以下成果:1)根据不同水源热泵回灌方式,对产生回灌不畅的原因进行了具体分析,提出了避免回灌不畅的方式,有利于指导地下水源热泵系统的设计。2)解析公式,确定了沈阳城区抽灌井间距参考距离。含水层为砾石层时,井间距不宜小于100m;含水层为粗砂时,井间距不宜小于90m;含水层为中砂时,井间距不宜小于85m;含水层为细砂时,井间距不宜小于80m。3)抽灌井间距的确定,受多方面因素影响,从六个调研项目来看,水源热泵井间距基本在30-50m,抽回灌比在1:2-1:3之间,本文建议井间距不宜小于50m,建议应保证至少1:3回灌比。4)根据不同水文地质条件,合理慎重选用水源热泵系统,建议水源热泵项目冷热双供,不应单独制热。5)为保证地下水源热泵系统的正常工作,后期热源井的清洗管理及养护工作是非常重要的。

关键词： 地下水源热泵   取回水   地铁工程   评价指标体系   渗流场   数值模拟   水文地质  

摘要： 随着我国经济迅速发展地铁工程应用广泛，有效缓解了城市交通压力，但本来就较为脆弱的城市地下水环境必定会受到其建设及运营的影响。地铁隧道及其乘降站的“拦截”作用，使得其迎水面水位抬升和背水面水位降深增大，因而引起地下水位变化、地下水流速变化、地下水渗流方向变化以及多层含水层间的越流效应四方面变化。此时，处于地下构筑物影响范围内的地下水源热泵系统的抽水及回灌效果均会受到影响;地铁乘降站及隧道的放热作用也会使地下水温发生变化，同样会影响到地下水源热泵的取回水效果。针对这一问题，本文以沈阳盛京医院滑翔院区地下水源热泵工程为例，通过室内砂箱试验掌握地铁乘降站及其隧道对地下水源热泵工程地下水渗流场和温度场的影响规律;通过建立地下水流和水温耦合的数值模拟模型，模拟地铁工程影响下不同布井方案的水位和水温的变化趋势，进而提出合理的解决方案及技术措施，确保水源热泵工程取回水安全运行，为相关研究提供理论依据与实践参考。本文主要研究内容如下：　　（1）通过对研究区气象特征、水文特征、含水层特征、地下水位埋深特征和地下水温分布特征等水文地质条件分析得到：研究区处在浑河漫滩区，地下水循环特征为河水补给地下水，水位埋深为6.0~10.0m，并且因为Q4apl含水层和Q3pal含水层水力联系密切，将其视为统一取回水层;受城市热岛效应和浑河对地下水的影响，在地下水温高于12℃的范围对比中，丰水期范围大于枯水期范围;研究区地下水温垂向分为三个温度带：变温带、常温带、增温带;研究项目热源井大部分取回水层在变温带和常温带，地下水温基本保持在11℃~13℃;经过现场稳定流抽水试验和回灌试验后计算得出，抽水渗透系数为78m/d，影响半径为218m，单位涌水量为2400m3/(d·m);回灌渗透系数为36m/d，影响半径为78m。　　（2）类比地铁站存在的情况进行现场回灌试验，记录回灌井水位数据并与自然回灌情况对比，结果证明地下建筑物的存在阻挡了回灌井周围地下水的排泄，不利于地下水的回灌。通过进行室内模拟试验得到：当地下构筑物恰好处在地下含水层且全断面隔断时，其对地下水流的阻挡效果显著，迎水面水位上升迅速，下游地下水得不到及时的补给，背水面水位出现较大降深;当构筑物模型部分隔断横向断面时，地下水在通过构筑物时侧向、顶部及底部均发生了绕流，并且水流速度增大;通过计算求得存在构筑物情况下研究区的等效渗透系数K3与自然渗流状态情况下的渗透系数K1的关系为K3=0.227K1。　　（3）地下水的热量传递主要集中在渗流的方向上，热量随着水流向下游传递，而垂直渗流方向的热量传递并不明显。相同流量条件下过水断面减少必然导致地下水流速的增加，而当流速增大时，构筑物散发热量的传播速度也随之增大，下游测点的温度迅速升高，而且发生温升的范围也向下游扩大。而对于构筑物下游的地下水源热泵热源井来说，地下水温度的升高使得其难以满足取水和回灌的水温设计要求。　　（4）针对研究项目地下水源热泵热源井布井场地合理性，以水文地质条件、建筑物冷热负荷条件、周边环境及场地条件建立一套更具针对性的评价指标体系以及评价方法和评价标准。研究项目的三种补偿布井方案场地合理性评价等级均为Ⅱ级，较为合理。　　（5）通过对研究区水文地质条件概化，并建立水流和水温耦合的数学模型，对研究项目几种补偿布井方案进行了数值模拟预测，结果显示：在水流模拟中研究项目抽水井附近形成了漏斗区，采暖期与制冷期的影响范围均为430m，回灌井附近形成了反漏斗区，采暖期与制冷期影响范围分别约为330m和270m;在水温模型中，模拟期五年时间内地下水温最高为22.5℃，最低温度为5℃，均可达到冬季换热5K温差，夏季换冷7K温差的要求。并且，在项目影响半径以外约550m，水温回归并稳定到13℃左右。　　（6）在最优布井方案的选择问题上，通过采用层次分析法与物元模型相结合的方法，综合考虑社会合理性、经济合理性、施工条件和技术条件等因素，选取7项指标并计算各指标及三种方案的关联度，并对三种布井方案进行评价，评价结果显示第二种方案为“良”，较其他两种方案更具潜力，所以确定其为最优布井方案。　　本课题探究了地下构筑物的“拦截”效应下地下水的渗流场和温度场的变化规律，计算得到等效渗透系数;对补偿的回灌井布井方案的可行性进行了数值模拟分析和最优方案的选择确定，为地下水渗流和传热理论提供了实践参考;在解决实际工程问题的基础上，为地下水源热泵工程的应用和设计提供了科学依据。

关键词： 地下水源热泵   水文地质参数   影响因素分析   抽灌井降深曲面   井群优化设置  

摘要： 地下水源热泵空调系统以高效、环保、稳定的优点在世界各国广泛应用。地下水源热泵系统的运行过程是人类开发地下水冷热能为己所用的过程,系统运行的核心是井群的冷热水抽灌循环。目前关于水源热泵系统的应用和建设很大程度上还依据经验进行,缺乏系统的理论支持,而水源热泵系统长期运行对区域地下水的影响,也逐渐引起人们的关注,所以对水源热泵抽灌井群理论及应用进行研究具有重要理论意义和应用价值。本文依托陕西水利科技计划项目——“西安地区水源热泵抽回灌参数优化试验与适用性规划研究”、陕西省自然科学基金项目——“西安市水源热泵抽灌井数学模型研究”等项目,以西安市为例,对水源热泵抽灌井群理论及应用展开研究,主要研究内容及结论如下:1.确定抽灌井水文地质参数。采用直线图解法求解承压完整抽水井水文地质参数;通过两处回灌试验研究地下水源热泵系统中回灌井渗透系数的变化规律;提出渗透系数为衰减函数时回灌井水文地质参数的优化求解方法,并与其它求解方法进行效果对比。2.分析地下水源热泵抽灌井群各影响因素。依据研究区试验资料,重点分析讨论了回灌量的影响,回灌量越大,水位抬升越高,回灌井初始渗透性越强,但渗透系数随时间衰减得也越快。回灌井渗透系数可表示为回灌时间和回灌量两者的二元关系。3.建立回灌井渗透系数为变量时的水源热泵抽灌井数学模型。分析建立了干扰条件下,回灌井渗透系数为变量时,抽灌对井降深数学模型;引入柱面坐标系,建立了抽灌井群降深曲面,并依据研究区试验资料绘制分析一抽两灌条件下的区域降深曲面。4.确定水源热泵抽灌井优化设置方案。采用FlowHeat1.0软件,依据研究区水文地质特点,对一抽两灌条件下四种布井方案和一抽三灌条件下八种布井方案进行数值模拟,分别从抽水井到达热突破的时间,地下温度场的变化和影响范围,及渗流场的影响程度三个方面进行分析,确定最佳布井方案;对两种条件下的最佳布井方案,分别选取不同井距进行数值模拟,根据温度随时间和井距的变化情况,确定最佳布井方案的合理井距。5.开展水源热泵系统对地下水影响的监测评价方法研究。以西安市为例,进行了地下水位监测井网优化方法的研究;以西安市为例进行了地下水水质评价与预测方法的研究。

关键词： 地下水源热泵   水温变化   监测规律   抽灌井布设  

摘要： 为了解浑河水温度变化对地下水的影响,分析总结二者之间的规律。为近河地下水源热泵工程抽灌井的布设提供科学依据。解决了近河地区凭经验布井的不足。通过采用野外试验和动态资料分析的方法,测量浑河附近监测点的温度和距河床100m左右监测井的地下水温,通过对近两年浑河附近监测点地下水温度资料的查阅,分析总结二者之间的关系。13月份河水温度保持在23℃不变,同时地下水温度几乎也没有变化;36月份由于气温的升高,冰面开始解冻,水温略微升高。与此同时,上游大伙房水库放水,同时王家湾橡胶坝、沈水湾橡胶坝以及砂山橡胶坝蓄水,河水对近河地下水补给增加,地下水温开始下降;69月份由于气温的大幅度升高,河水温度也大幅度的升高,补给地下水后地下水温也上升;1012月河水水温降低,河水对地下水补给减少,地下水温变化较小。对于近河地下水源热泵工程来说,河水温度变化对地下水的影响是相当大的,进而影响地下水源热泵工程的换热效率,所以河水温度变化对地下水的影响规律对于近河地下水源热泵工程抽灌井的布设具有巨大的意义。

关键词： 地下水源热泵系统   全寿命周期成本   全寿命周期效益   系统动力学  

摘要： 地下水源热泵是一种利用地热能的全新技术,具有经济、节能环保的特点,但是其初始投资较大,发展与推广比较困难。为了促进地下水源热泵系统的发展,论文首先从其成本效益的构成及计算入手,然后利用Vesim-PLE软件工具,运用系统论的观点,建立了地下水源热泵系统全寿命周期成本效益模型,并以甘肃省兰州市某住宅小区的地下水源热泵工程作为实证研究的对象,对其成本效益做了长期的模拟和分析,主要的研究成果有:(1)分析出了地下水源热泵系统成本和效益的构成以及它们的计算方法。地下水源热泵系统全寿命周期成本由初始投资、年运行费用以及废弃处置费用三部分构成,效益由节能效益、减排效益以及其它效益三部分构成,并分别提出了其成本和效益的计算公式。(2)构建了基于系统动力学的地下水源热泵系统成本效益模型。首先依据影响地下水源热泵系统成本的各个要素间的相互作用关系建立了初始投资、年运行费用以及废弃处置费用的因果关系图,并基于此建立了地下水源热泵系统全寿命周期成本因果关系图。其次依据影响地下水源热泵系统效益的各个要素间的相互作用关系建立了地下水源热泵系统全寿命周期效益因果关系图,之后综合其成本因果关系图建立了地下水源热泵系统全寿命周期成本效益因果关系图。再次以此为基础构建了地下水地源热泵系统全寿命周期成本效益系统流图并建置结构方程量化了要素间的相互关系,最后对模型进行了一些比较重要的测试。(3)进行了实证研究,运用模型进行了模拟和分析并得出了一些结果。以兰州市某应用了地下水源热泵系统的住宅小区作为实证研究对象,首先根据实际情况确定了模型中的参数并进行了检验,然后运行模型模拟和分析,模拟结果为:从社会的角度(考虑减排效益),项目仅仅需要7.031年就可以收回成本,即使考虑资金的时间价值也只要9.315年;但是从业主的角度(不考虑减排效益),则需要12.181年才可完全收回成本,如果考虑资金的时间价值则需要18.678年。虽然系统的前期投资较大,但是其在使用期间的运行成本会均衡的减少,从全寿命周期角度看是划算的,效益也是相当可观的。

关键词： 填砾同井   抽回水温差   热贯通   渗透系数  

摘要： 为响应国家节能减排的号召,人们愈发关注如何将储存于空气、地表或地下水等中的可再生能源加以利用。地下水源热泵就是一种节能且高效的地能采集措施。地下水源热泵系统是以地下水作为低位冷热源向建筑物内提供供暖和制冷的一种热泵运用技术。按其回灌形式的不同,主要分为:异井回灌地下水源热泵系统和同井回灌地下水源热泵系统。而同井回灌地下水源热泵系统就目前而言,主要有三种不同的应用形式,其分别为:填砾同井回灌、抽灌同井及循环单井,它们的抽水和回灌均能在同一口井内完成。本文主要研究了填砾同井回灌地下水源热泵系统的运行特性及换热性能,其中研究内容及成果如下:1、开展了填砾同井回灌地下水源热泵系统的现场试验研究工作。现场试验研究表明:(1)填砾同井回灌地下水源热泵系统的单井换热量较其它种类的地源热泵系统高,测试井的单位时间有效换热量为23.3kJ/s,而地埋管系统的单位时间有效换热量为4～7.5 kJ/s。且其能效比高,本次现场测试热源井的能效比最高为6.8,最低为4.35,属于一级能效,而地埋管系统的能效比一般为4～5.2;(2)随抽水流量的增加,测试热源井的换热量相应增加,其增加的量和地下涌水量的大小相关。本次试验,抽水流量由8m3/h增加到14m3/h时,换热量增加2.8kJ/s,地下涌水量增大1.5m3/h;(3)关于热贯通,由于本次测试对象为相对贫水地质条件下的工程井,试验研究过程中发现,当抽水流量在8m3/h时,换热器进出口温差稳定,此时未发现热贯通现象,抽水流量由8m3/h增大到14m3/h时,测试热源井开始出现热贯通,抽水平均温度由17.9℃上升到23.2℃,抽回水温差由2.5℃下降到1.6℃,热贯通由3.9%增大到77.1%;(4)关于热源井成本,地埋管系统的单位井深成本为90～110元/m(其中井深为100m,井孔直径为150mm),填砾同井回灌系统为800元/m(其中井深38m,井孔直径1500mm);地埋管单井换热量为4～7.5kJ/s,填砾同井回灌系统大于等于23.3kJ/s,因此在相同的负荷条件下热源井初投资相对地埋管节约11～42%;(5)关于水质污染,虽然本次现场试验由于受试验条件所限,未做热源井水质检测,但根据原厂家提供的北京某填砾同井回灌工程经过2001年至2012年的运行后,提供的水质检查报告可知,除水温发生变化之外,其余29项水质指标均没有发生明显的变化。2、根据热源井的成井情况和建造工艺,建立了填砾同井回灌地下水源热泵系统的地下水换热及流动的数学模型。(1)通过现场测试数据验证所建数学模型的正确性,模拟的抽水平均温度与实测温度值误差小于1℃,误差范围小于5%;(2)通过验证后的数学模型,改变其抽水流量。得到测试热源井的最佳抽水流量为4～8m3/h,此时抽回水温差为2.5～5℃,该热源井的抽水温度不仅为地下水原始温度(17.8℃),且不会引起热贯通现象(热贯通≤3.9%);(3)地下涌水量与含水层渗透系数比(水平渗透系数/竖直渗透系数)成正比。当渗透系数比由1增大到10时,地下涌水量增大,致使平均抽水温度降低1.1℃。因此热源井宜尽量选择渗透系数比大的区域,或在砾石回填区中设置水平隔板用以减小竖直渗透系数;(4)热源井的取热潜力与含水层的容积比热容成正比。当容积比热容由20003kJ/m?℃变到30003kJ/m?℃时,平均抽水温度降低0.8℃,热源井的取热潜力加大。因此热源井应尽量选择含水层容积比热容大的地带;(5)地下水的热弥散度与热源井的热影响范围有关。当地下水热弥散度由1m变成3m时,平均抽水温度降低0.4℃,热影响范围增大,热源井取热能力同时加大。因此热源井抽水口应设置于地下水流速大的区域。

关键词： 地下水源热泵   运行机制   渗流系数   衰减预测  

摘要： 以某市相距不远且地下水、岩层结构很接近的2个地下水源热泵系统为研究对象,在夏季对其水井抽、灌流量和水位进行了为期40多天的检测。2个系统运行机制不同,1个为间歇运行、1个为连续运行。将检测数据代入井群地下水流动数学模型,分析得到抽、灌井渗流系数的动态值,进而得到渗流系数值与运行时间的函数关系,作为渗流系数衰减的预测模型。在此基础上,对2个系统长期运行的渗流系数的衰减分别进行了预测。分析结果表明:2个系统运行120天,间歇运行的系统的渗流系数衰减约为14.4%,连续运行的系统的渗流系数则衰减约为39.7%。

关键词： 地下水源热泵   水质分析   水化学类型   变异  

摘要： 为了研究地下水源热泵的"抽—回"系统运行过程中地下水水质的变化,选择池州某地下水源热泵工程为研究对象,在收集各项目所在地段的水文气象、地质、水文地质和水质资料的基础上,进行水质水化学类型分析以及相关性分析。根据区域水文地质条件受热泵系统影响机制,进行水质变异成因分析。结果表明:水源热泵系统的运行改变了工程所在地段的地下水化学类型;水质变异成因中常规的动力场、温度场和化学场因素影响可恢复,地质结构因素影响不可恢复。

关键词： 地下水源热泵   适宜性   经济性   应用效果   寒冷地区  

摘要： "十一五"和"十二五"期间,全国大力发展地源热泵技术。由于影响该技术应用效果的因素众多,不同的项目应用效果不大一样。为深入了解寒冷地区地源热泵技术的运行效果及发展潜力,选择某寒冷地区地源热泵典型项目进行实地走访调研。从5个具体项目实例的适宜性、应用效果、运行情况、经济性来分析该地区地源热泵的应用优势,并与全国各地地源热泵项目的应用水平及特点进行对比,指出现阶段阻碍地源热泵发展的问题及解决方法,为今后寒冷地区地源热泵系统的设计运行等方面提供参考依据。