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： 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   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： 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。

关键词： 渗透系数   解析解   回灌   回扬   堵塞   地下水源热泵  

摘要： 以回灌过程中渗透系数衰减模型为基础,推导了不同回扬次数的渗透系数解析表达式;将其应用于Theis公式,获得了考虑渗透系数衰减以及暂时性堵塞率条件下回灌与回扬物理过程中含水层压强的解析表达式,更准确地刻画了回灌与回扬的物理机制。计算结果表明:在连续回灌不回扬过程中,井内灌压增长符合指数曲线特征,而采取回扬措施后,由指数连续上升转变为间断式阶梯上升;回扬次数越多,灌压下降越明显,但灌压变化幅度随回扬次数的递增而减小。根据解析解定义的两种堵塞率的结果,可以实现利用实验判断不同成分回灌水源对含水层堵塞机理的分析,从而达到科学制定回灌水源标准的目的。

关键词： 地下水源热泵   水质分析   水化学类型  

摘要： 为了研究地下水源热泵的"抽—回"系统运行过程中对地下水水质的变化,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。并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。研究结果表明: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   循环单井   填砾抽灌同井   砂箱实验   排放比  

摘要： 针对单井循环地下水源热泵系统有关排放的实验研究不足,搭建砂箱实验台研究其排放特性,并分析实验台与实际工程情况的差异。实验研究结果表明,在取热工况下,排放能够提高热源井的抽水温度和取热量,尤其是对于提高循环单井抽水温度效果显著,但过大排放比的作用有限,在实验条件下,排放比从5.0%增加到32.1%,填砾抽灌同井的取热量仅增加了7.4%。此外,排放可缩小热源井热影响的范围。