关键词： 地下水源热泵   发展现状   应用前景   管理建议  

摘要： 地下水源热泵技术是浅层地热能利用的主要形式之一,对优化能源结构、节能降碳、改善环境具有重要作用。结合调研、实证分析及统计分析方法,首先,从应用、技术和管理角度梳理了地下水源热泵的发展现状,指出上海地区具有使用地下水源热泵技术的良好的政策环境和相对成熟的技术水平;随后,针对上海地区的水文地质条件进行了地下水源热泵的适宜性分区,得到上海市奉贤、青浦和崇明大部分地区具有应用地下水源热泵的良好的水文地质条件;最后,针对上海地区水文地质条件和新阶段地下水管理要求,研判了地下水源热泵的应用前景,并且提出了划分地下水管控区、完善地下水取灌水制度和标准体系等建议,为上海市地下水源热泵的应用和政策制订提供决策依据。

关键词： 水源热泵   循环   热能   监测  

摘要： 无论从环保、节能、经济等几个方面看,作为几种热源形式之一,水源热泵都有着明显的优势。但由于当地水文地质条件和技术、管理水平等影响,发展缓慢。文章通过对几家热泵用户使用情况的调研,对水源热泵使用中的问题做了分析,对基本建设方面提出某些想法,对使用方面给出一些具体建议。对使用较好的情况做了总结,以提供大家学习。希望通过科技的发展及各方面的努力使热泵技术得到更广泛地使用。

关键词： 地下水源热泵   承压水   加压回灌   可行性  

摘要： 以吉林省靖宇县昌盛市场地下水源热泵项目为例,采用密闭加压回灌的方式,解决了玄武岩孔洞裂隙承压水地区无法应用地下水源热泵的问题。项目运行期通过回访调研,验证了该方法的可行性,并提出合理化建议,为该地区地下水源热泵项目应用加压回灌技术提供参考依据。

关键词： 地下水源热泵   抽灌井优化   温度场变化   参数灵敏度   石家庄  

摘要： 为了确定地下水源热泵的最佳布井方式,探明含水层温度场变化特征以及水文地质参数灵敏性,以石家庄地下水源热泵适宜区肖家营—东兆通为研究区,基于热储层的地热地质条件和热物性参数,利用FEFLOW软件构建了三维水-热耦合数值模拟模型。在2000 m^(3)/d的抽灌量下对不同井间距、不同布井模式-含水层温度场变化进行模拟,探讨发生热突破的可能性,并探讨温度场关于热导率、渗透系数、孔隙率等参数的灵敏度。研究结果表明:1)在单抽双灌模式下,方案C(两眼回灌井连线与地下水流向垂直,一眼回灌井位于抽水井正下游,另一眼回灌井位于沿地下水流向45°方向,即两回灌井与抽水井组成等腰直角三角形,抽水井正下游的回灌井为直角顶点)的布井方案对含水层温度场影响最小,为最优方案;2)单抽双灌模式下,抽灌量为2000 m^(3)/d时,方案C抽灌井间距设置在40~50 m较为合理;3)抽灌过程中,温度场对于渗透系数的改变灵敏度较高,而对孔隙率以及热导率的改变灵敏度较低。

关键词： 地下水源热泵   监控系统   优化运行   节能减碳  

摘要： 本文针对某酒店地下水源热泵系统,通过分析冷热源监控系统的温度、流量、压力以及设备耗电量等实际运行数据,查找系统运行中存在的问题,提出设备及系统的优化运行策略,建议在空调冷热源监控系统加入自学习功能以实时准确地调整设备运行策略,提高系统运行能效,从而实现空调系统节能减碳的目的。

关键词： 地下水源热泵   寿命预测   AGA-BP神经网络   回灌性能   热贯通  

摘要： 地下水源热泵空调系统作为开发利用浅层地热能用以对建筑物供冷和供热的一项重要技术,它以绿色、高效、节能等优点而被广泛的应用。该技术应用的过程中暴露出“回灌不畅”和“热贯通”等问题,使系统不能安全节能运行。因此,对系统运行状态的发展趋势进行预测,为运维人员对系统的预防性维护提供依据,提高系统使用寿命有着重要的意义。 本文首先建立地下水源热泵抽灌运行阶段含水层热-渗理论模型与颗粒物沉积-移运理论模型,然后使用COMSOL Multi-Physics 6.0有限元仿真软件模拟地下水源热泵对井系统在两个抽灌周期内的温度场和回灌颗粒物浓度场的演化规律,从而获得地下水源热泵系统寿命预测的相关物理量数据。此外,使用控制变量法分析了影响对井系统热贯通和回灌性能的因素。最后建立自适应遗传算法优化BP神经网络预测模型(AGA-BP神经网络预测模型),并控制模型输入输出,利用新的数据自适应地修正预测值,提高模型预测精度。 本文基于地下水源热泵系统运行过程中的安全属性和节能属性提出回灌性能综合堵塞值(RC)和机组能效综合劣化值(ED)的寿命预测指标。若运行过程系统综合RC和综合ED值大于30,判定系统回灌性能和机组能效严重劣化,即系统不能安全和节能运行,则寿命达到阈值。 研究结果表明:(1)在地下水源热泵系统运行阶段地下取热含水层温度场扩散有显著的方向性,热扩散影响范围也在不断扩大。抽灌井间距、含水层厚度和渗透率对抽灌区域温度场影响较大,孔隙率和运行模式对抽灌区域温度场影响较小;(2)地下含水层颗粒物的沉积浓度和影响范围与回灌时间呈正相关,且颗粒物沉积浓度在回灌井附近出现峰值,在抽水井周围显著下降,系统停运期间变化率很小。回灌液初始颗粒物浓度的变化对抽灌区域浓度场影响较大,初始孔隙率的变化对抽灌区浓度场影响较小;(3)建立基于回灌性能的自适应遗传算法优化BP神经网络(AGA-BP)寿命预测模型,由模型输入层、隐含层和输出层神经元个数可得模型拓扑结构为10-10-1。根据模型预测结果可得:系统运行第590天时,其综合RC值达到32,回灌性能严重劣化,达到回灌性能寿命阈值;(4)建立基于机组能效的自适应遗传算法优化BP神经网络(AGA-BP)寿命预测模型,其模型拓扑结构为5-8-1。根据模型预测结果可得:系统运行阶段最大综合ED值为9,机组能效仅发生轻度劣化,未达到机组能效的寿命阈值。

关键词： 建筑节能   地下水源热泵   吐鲁番新区   优化控制  

摘要： 当今社会,低碳、节能、高效已然成为建筑供暖系统发展所关注的重点问题,常规能源的短缺与全球变暖等问题已被全球人民所关注,与全人类的生存与利益息息相关,因此合理选择与利用绿色、低碳、节能的采暖空调技术更是势在必行。地下水源热泵技术是一种利用地下水能量进行制冷、供暖和热水等的先进技术,也是目前较为先进的可再生能源利用方式之一。地下水不仅温度稳定,而且能量密度高,这使得地下水成为一种理想的热源,而热泵则可以将热源的温度提升或降低,以满足室内温度需求。 本文研究的地下水源热泵系统位于国家首批新能源示范城市——吐鲁番新区,该项目的主要目标是在夏季高温、冬季寒冷的吐鲁番地区,使居民享有舒适的居住环境。通过实地调研发现,系统在运行过程中仍存在一些问题,如运行管理、系统末端设备的选用不合理,用户设置的供热温度偏高或制冷温度偏低而造成能源浪费等问题。本文着重研究吐鲁番新区地下水源热泵系统的节能性,主要从热泵系统运行管理上的节能和用户行为节能两方面进行。 首先对吐鲁番新区地下水源热泵系统实地调研,搜集、查阅相关的文献资料,同时进行测试,了解系统的实际运行情况。然后通过模拟分析,挖掘系统在运行管理和末端用能行为方面上的节能潜力。在此基础上,结合热泵系统的实际运行数据提出优化控制策略,通过TRNSYS软件模拟分析,得出系统优化后的节能率。 通过研究发现,吐鲁番新区地下水源热泵系统的制冷平均性能系数均在3以上,夏季建筑室内温度均在25℃左右。与传统水冷冷水机组相比,该系统一个制冷季可以节约标准煤1.114kgce/m2,减少CO2排放量2.73×10-3t/m2,减少SO2排放量2.23×10-5t/m2、减少粉尘排放量1.11×10-5t/m2,并且可以节约104.49万元的运行费用。利用软件模拟得出优化后系统的运行状况,优化后的供暖季负荷侧供回水温差增加了0.6℃,系统COP增加了0.75,制冷季供回水温差增加了0.7℃,系统COP增加了0.66;系统全年运行能耗降低了626214k Wh,节能12.43%。在系统末端,用户冬季供暖温度每降低1℃,节能6.82%,夏季供冷温度每升高1℃,节能4.58%。 吐鲁番新区地下水源热泵系统运行状况良好,其制冷性能系数满足《可再生能源建筑应用工程评价标准》中限值的规定,建筑室内舒适度满足设计要求。与传统水冷冷水机组相比,该系统具有明显的节能环保效益和一定的经济效益。优化后的系统节能效果显著,同时规范用户的用能行为能够有效的降低系统的运行能耗。

关键词： 地下水源热泵   空调系统   诊断方法   诊断模型   特征参数  

摘要： 能源是人类生存和经济发展的必要条件,伴随着工业生产和居民生活对能源需求的不断增加,能源危机和环境污染问题日益严重。在双碳目标下,为解决这类问题实现绿色高速发展,地下水源热泵技术作为清洁可再生能源技术被广泛应用,然而经过现场调研后发现:大多数地下水源热泵空调系统重建设、轻运行,弱化了监控系统;同时运维管理水平偏低,现场管理人员专业知识匮乏等,由于这些问题的存在,地下水源热泵空调系统的能效偏低成为普遍现象。因此,为研究地下水源热泵空调系统的运行状态,本文以地下水源热泵空调系统运行效果的诊断方法作为研究重点。 考虑花费不同时间、金钱、人力等成本的影响,本文将适用于诊断地下水源热泵空调系统运行效果的方法分为快速诊断和详细诊断。针对不同诊断类型提出现场有效数据的获取方法,在未知具体结构参数的前提下建立不同的诊断模型,选择综合指标和分项指标表征地下水源热泵空调系统的运行效果,对地下水源热泵空调系统运行效果进行诊断,并利用Matlab R2016a编写诊断程序。 根据能量守恒定律和传热方程等建立地下水源热泵空调系统以及主要部件的快速诊断模型,以推荐值为参考值,提出了快速诊断方法。针对快速诊断的应用场景,本文以陕西省汉中市汉台区某住宅小区为例,使用快速诊断方法分别对地下水源热泵空调系统、压缩机、冷凝器、蒸发器、循环水泵和回灌井进行诊断,结果表明:地下水源热泵空调系统、压缩机、蒸发器和循环水泵尚未出现劣化,冷凝器和回灌井出现了轻度的劣化。 根据能量守恒定律和传热方程等建立地下水源热泵空调系统以及主要部件的详细诊断模型,采用最小二乘法和克拉姆法则获取精确的模型参数,以理论值和推荐值为参考值,提出了详细诊断方法。针对详细诊断的应用场景,本文以陕西省汉中市汉台区某住宅小区为例,使用详细诊断方法分别对地下水源热泵空调系统、压缩机、冷凝器、蒸发器、循环水泵和回灌井进行诊断,结果表明:地下水源热泵空调系统COPsys劣化程度为11.8%左右,机组COP劣化程度为6.3%左右,冷凝器的劣化程度为2.2%左右,蒸发器的劣化程度为6.6%左右,压缩机和循环水泵未发生劣化,回灌井的劣化程度分别约为80.8%、53.6%和26.2%,地下水短缺比例约为21.6%,地下水平均回灌比例约为22.3%。根据实际情况,本文分析了测试期供暖效果,并提出了供冷和供暖费用收取的合理化建议。

关键词： 严寒地区   水热运移   FEFLOW   冷堆积   补热措施  

摘要： 地下水源热泵技术作为一种开发浅层地热能的绿色能源技术,近年来应用越来越广泛,低碳、节能、高效等优点使其展现出巨大的发展潜力,但在运行过程中逐渐发现存在一系列问题,其中热泵系统冷热负荷不均匀是导致出现地下水热失衡现象的主要原因,使地下水温度维持平稳趋势是保证地下水源热泵系统长期稳定高效运行的前提。地下水热传递主要是依靠热对流作用来实现的,因此研究地下水源热泵在逐年运行过程中对地下水渗流场和温度场的累积影响及变化规律,对于热泵系统的高效合理运维具有重要理论意义。本文以沈阳市沈阳工业大学体育馆地下水源热泵系统为研究对象,主要研究内容如下:通过文献调研和实地考察,得到了研究区气象水文、水文地质条件及系统运行数据等资料,建立了水文地质概念模型。采用FEFLOW数值模拟软件建立了水热运移模型,利用2013年和2021年供暖季末期实测水位和水温数据对模型进行了识别和验证,发现地下水水位模拟值与实测值最大误差仅0.74%,温度模拟值与实测值最大误差仅3.7%,模型拟合较好,所建模型与实际情况相符。利用所建模型对四种不同运行模式下地下水热运移规律展开研究,发现温度变化对地下水流场影响微弱,流场变化对地下水温度场影响显著,并通过模拟预测实现了失效预警。在实际运行模式下地下水温度持续下降,结合测试及模拟发现系统存在严重的热失衡问题,在第二个供暖季末期发生了冷堆积现象,到2021年供暖季末期抽水温度下降到8.4℃,回灌温度下降到5.7℃,预计2060年回灌水温度将下降到4℃以下,系统彻底瘫痪。针对系统运行模式不合理、冷堆积现象严重的情况,优化了运行策略。通过对比分析优化运行模式前后地下水流场和温度场变化情况,发现采用冬夏连续交替运行模式时地下水热突破时间延迟了3年,冷堆积现象得到较大缓解,但仅改变运行策略仍不足以阻止冷堆积的发生。基于地下水冷堆积现状,提出了三种补热方案,通过对经补热强化的地下水温度场展开预测,实现了恢复预判,发现在导光管补热的基础上在夏季增加局域供冷管网系统进行补热,地下水温度上升速度明显加快,至2028年抽水温度可达到12℃,回灌温度可达到7.7℃,恢复到2008年原始状态。通过对比五种不同运行策略下的温度场变化,明显可以看出冬夏季连续交替运行模式下地下水温度变化趋势最为平稳,因此在地下水温度恢复后热泵系统应采用冬夏季连续交替运行模式,以保证地下水源热泵系统长期稳定高效运行。

关键词： 地下水源热泵   地下水质   铁堵塞   铁氧化细菌   堵塞机制  

摘要： 地下水源热泵技术利用地下水作为能量交换的介质,通过抽水和回灌井水路循环,实现供热或者制冷,是开发低碳环保地热能的有效途径,也是助力推行双碳目标的重要技术手段。然而,近年来在实际地下水源热泵系统运行过程中,回灌井堵塞严重影响地下水等量回灌效率,堵塞严重时导致系统停运或报废的案例频发,其中铁堵塞是地下水源热泵系统中普遍存在且亟待解决的重要问题。铁堵塞主要形成在含水介质、过滤器及井水界面处,具有形成迅速,成分复杂和难以去除等特征。目前对地下水源热泵井内微生物介导铁堵塞形成及演变机理尚无系统研究。因此,本研究针对地下水源热泵系统井铁堵塞问题,在辽宁省沈阳市一个实际地下水源热泵系统场地勘查采样分析的基础上,从宏观到微观分析抽水和回灌井铁堵塞特征与对应的水文地球化学条件,识别堵塞形成模式;通过砂槽模拟实验,系统研究地下水回灌条件下铁堵塞的时空演变机理;通过批实验进一步明确铁氧化细菌介导铁堵塞的形成机制,最后构建铁堵塞形成累积数学模型,定量分析微生物介导铁堵塞形成过程。论文的研究成果能够为地下水源热泵系统铁堵塞的预防及控制提供科学依据,具有重要的理论价值和现实意义。通过系统研究,本文取得以下主要成果:1.通过实际地下水源热泵场地的野外调查结果发现,热泵系统抽水、回灌及观测井堵塞程度差异明显,其中堵塞程度回灌井>抽水井>观测井。50 m深的井中,随着深度增加,回灌井和抽水井的堵塞程度逐渐增加,在深层含水层中部(35 m深度)的堵塞程度最严重。铁堵塞物的主要成分为铁氧化物,包括针铁矿、纤铁矿、赤铁矿。2.通过野外场地调查,针对铁堵塞及其水文地球化学特征空间分布规律,分析得出抽水和回灌井中铁堵塞形成的三种模式:(1)抽水和回灌井浅层井中,铁井管在溶解氧的作用下形成轻度堵塞,这种浅层铁堵塞可能来自于井设备中的零价铁单质。(2)回灌井深层的铁堵塞在地下水-过滤器界面形成,受微生物的氧化作用影响,其铁堵塞来源于含水层中的二价铁矿物。(3)抽水井深层的铁堵塞发生在井水的混合作用处,由水动力混合引发的氧化还原反应促使地下水中的Fe快速氧化形成铁堵塞物,其铁堵塞来源于地下水中的Fe。3.通过砂槽模拟实验揭示在地下水回灌过程中,堵塞物的演变规律共经历了三个阶段:(1)回灌初期介质渗透系数缓慢下降,过滤器表面形成低结晶度的碳酸钙,反硝化细菌丰度较高,主要由氧气和硝酸根驱动;(2)铁氧化细菌适应环境和快速增殖阶段,此时渗透系数快速下降,回灌系统中Fe减少,导致氧化还原电位(ORP)和pH显著增加;(3)铁堵塞稳定发展阶段,该阶段渗透系数相对较为稳定,铁氧化和铁还原菌共同作用在堵塞的稳定发展阶段起重要作用。总体上,在堵塞前期,上层堵塞物为水铁矿,下层以碳酸钙和低结晶度的铁氧化物为主;在回灌后期,上层堵塞物的主要成分为SiO和结晶度较高的针铁矿和纤铁矿,越到下层堵塞物中铁氧化物的结晶度越低。4.考虑铁氧化细菌介导铁堵塞形成过程中的重要作用,通过开展不同条件下的铁氧化细菌生长和氧化动力学实验,结果表明:铁氧化细菌介导堵塞形成的主要机制涵盖温度、pH和细胞密度。低温条件下,铁氧化细菌分泌的EPS中多糖含量增加,导致渗透系数降低,但堵塞发展速度减缓。弱碱性环境下,铁氧化细菌生物膜和分泌的胞外聚合物(EPS)增加,促进铁堵塞形成。铁氧化细菌的细胞密度对铁氧化动力学影响显著,pH和DO对Fe生物氧化速率的定量计算从理论上揭示了铁氧化细菌介导铁堵塞的形成机制。5.基于PHREEQC的地球化学模型模拟抽水和回灌井的铁堵塞形成和累积过程表明:抽水井中的混合作用导致大部分堵塞物在井筒内部快速沉积;回灌井中,地层中铁矿物缓慢释放亚铁离子,使铁氧化物形成较慢但持续累积,导致抽水井内的堵塞程度较回灌井弱;铁氧化细菌的催化作用促进铁氧化物的积累。