关键词： 新农村建设   地下水   水源热泵技术   应用   建议  

摘要： 甘州区从2009年整体推动新农村建设,先后有15个乡镇65个行政村规划采用地下水源热泵技术进行冬季供热和夏季制冷。以甘州区为例,分析了水源热泵技术在新农村建设中的应用现状,提出新农村建设中水源热泵技术推广应用的建议。

关键词： 地下水源热泵   地下水温度场   数值模拟   影响规律  

摘要： 地下水源热泵技术作为一项低温地热资源可持续利用的技术方法，近年来在建筑空调领域已经得到广泛应用。作为影响热泵机组的效率和地下水源热泵工程持续利用的关键因素，地下水集中采灌区温度场不仅与地下含水层地质条件有关，而且与地下水源热泵的工程设计参数有关。\n 论文通过数值模拟方法，建立了承压含水层中热量运移数学模型，应用FlowHeat三维有限差分模拟软件，对地下含水层地温场演化影响因素进行模拟研究。选择北京某工程实例进行模拟研究，通过建立概念模型和数学模型，模拟结果与实测数据进行对比，得出建立模型的边界条件属性，为后续课题研究的提供基础和参考。\n 对地下含水层渗透率和孔隙度、含水层厚度、地下水平径流等水文地质条件因素对地下水源热泵地温场演化进行数值模拟，研究结果表明：渗透率和孔隙度的差异对抽水井的温度影响不明显；当水平渗透率一定，随着渗透比的变化对抽水井温度的影响不明显，当垂直渗透率一定，随着渗透比的增大，抽水井的温度变幅呈减小趋势；随着含水层厚度的增大、地下水天然流速的增加，抽水井温度变幅呈减小趋势；若含水层中存在弱透水夹层，在弱透水夹层下部和上部分别进行抽水和回灌，随着弱透水夹层厚度的增加，抽水井温度变幅显著减小。\n 对生产井结构和布局因素对地温场演化影响进行数值模拟，研究结果表明：抽水井和回灌井过滤器长度的增加，抽水井温度变幅呈减小趋势；对于较厚含水层，若抽水井和回灌井的过滤器相对位置不同，对抽水井温度变幅有一定影响，当抽水井的过滤器在含水层的顶部和底部时，随着回灌井过滤器与抽水井过滤器之间距离的增大，抽水井温度变幅呈减小趋势，当抽水井过滤器在含水层中间位置，随着抽、灌井过滤器之间相对位置的不同，对抽水井的温度影响不是很明显；随着抽水井和回灌井之间距离的增加，抽水井温度变幅呈减小趋势。\n 研究结果有助于指导地下水源热泵采能工程的优化设计，对地下水源热泵采能系统场地的选取具有重要的指导意义。

关键词： 地下水   热泵   实验井   回灌  

摘要： 当今社会能源日趋紧张，节约利用现有能源尤其重要。地源热泵就是利用了地球表面浅层地热资源作为冷源和热源，进行能量转移的系统，尤其是地下水水源热泵，以其性能高、节能效果显著、系统运行稳定的特点，正在被人们广泛的采用。

关键词： 地下水源   热贯通   单井抽灌率   抽灌井布局   抽灌量  

摘要： 人类进入21世纪以来，全世界比以往任何时候都更加关注能源、环境和可持续发展三者的关系，寻求一条可持续发展的道路。然而，随着人类活动强度和范围的逐步增大，煤炭、石油、天然气等常规资源已经无法满足人类对能源的需求，这些资源的使用也对人类的生存环境造成了很大的负面影响，寻找可以替代常规能源的新能源迫在眉睫。目前，新能源主要包括地热能、风能、核能、太阳能、生物质能等。而浅层地热能做为地热能的一个分支，有着分布广泛、使用成本低等特点，从一出现就备受关注。随着世界形势的改变，对于我国这样的发展中国家来说，为实现社会的可持续发展，无污染的可再生能源已经成了当前的能源利用的首选。地下水源热泵作为浅层地热能最常用利用手段的一种，在国内的开发和使用已经较为广泛。\n 三门峡市地处河南、山西、陕西三省交界处，四季分明，夏季炎热，冬季寒冷，具备利用地下水源热泵进行供暖和制冷的气候条件。自20世纪末就开始引进地下水源热泵设备，截至2008年底，三门峡市共有地下水源热泵利用设备40余套，应用建筑面积达到90万m2。但由于最初的工程设计多较粗糙或照搬别处的设计，导致三门峡市很多的地下水源热泵利用系统或利用效率低下，或回灌孔堵塞导致地下水的无序排放，或造成地面沉降、水位下降等各种问题。因此，如何有效地提高地下水源热泵的利用效率并避免或减少其系统运行中引发的问题具有重要的研究意义。\n 为了掌握不同的抽灌比、抽灌井间距、抽灌井布局、抽灌量等条件对多井抽灌系统运行效率的影响，本研究根据三门峡市某地下水源热泵利用系统场区的水文地质资料和相关文献概化的水文地质模型，利用FlowHeat模拟软件开展不同抽灌比、布井方式、井间距、抽灌量条件下地下水源热泵利用系统的水热模拟工作，评价分析各种不同条件对地下水源热泵利用系统含水层温度场的影响及“热贯通”的影响。本研究结果可为三门峡地区地下水源热泵工程优选出合理的抽灌井间距、抽灌井布局、抽灌比等条件，为三门峡市该地下水源热泵利用系统的运行和维护提供参考意见，为三门峡市乃至全国地下水源热泵利用系统的设计安装提供参考和借鉴。\n 本文在资料汇总和模拟结果研究的基础上得出如下结论：\n (1)其他条件一致时，单井抽灌率低的抽水井水温变幅较小，也即“热贯通”程度随单井抽灌率的降低而减小。\n (2)抽、灌井的位置布局，对于地下水源热泵系统的实用性、经济性至关重要，也是影响热贯通现象的重要因素。在各基础条件一致的情况下，抽水井位置布局会影响到地下水源热泵利用系统的“热贯通”现象。一般来说，当抽水井被回灌井包围时，也即抽水井位于抽灌井井群内部时，“热贯通”程度较高；而当抽水井位于抽灌井群边缘时，“热贯通”程度低。\n (3)相邻抽灌井间距和抽灌量是地下水源热泵系统设计中最重要的两个参数。在其它条件不变的情况下，抽水井水温变幅随相邻抽灌井间距变大而减小；在其它条件不变的情况下，抽水井水温变幅随抽灌量的增大而增大，在特定条件下，抽灌量与抽水井水温变幅成正比关系。\n (4)河南省三门峡市该地下水源热泵利用系统，在均匀布井、运行期设为整个制冷期、单井抽水量1440m3/d、单井回灌量720m3/d条件下，一抽二灌、二抽四灌各布井方式的合理井间距应控制在40m左右。\n 本研究首次通过模拟“热贯通”现象的影响因素来探讨地下水源热泵利用系统的井群布设、抽灌量和抽灌井间距等条件的优化。该研究成果对三门峡市乃至全国地下水源热泵系统的设计、勘查、试验及运行工作均具有重要的借鉴和指导意义，也可为解决运行中由“热贯通”产生的各种问题，制定和完善地下水源热泵的各项标准、规范等起到积极的参考作用。

关键词： 承压含水层   地下水源热泵   水文地质   地温场   渗流   热运移   HST3D  

摘要： 在能源形势日趋严峻、节能减排任务十分艰巨的今天,地下水源热泵作为一项利用浅层地热能的节能技术被广泛应用。含水层的水文地质特征和热物性特征,是地下水源热泵系统设计的基础;基于一个利用松散孔隙承压水作为水源的热泵系统的实例,利用数值模拟方法研究了主要水文地质参数对温度场的影响规律。主要工作和结论如下:\n 1.结合地下水源热泵系统对水量、水质的要求,系统论述了水文地质条件对地下水源热泵系统建设的约束,地下水抽-回灌方式与维护方法。\n 2.结合实例,建立了承压含水层中地下水渗流和热量运移相耦合的数学模拟模型,应用有限差分法,研究水文地质参数、井结构参数和井间距等因素对温度场的影响规律,模拟研究结果表明:\n (1)随含水层孔隙度、滤水管长度的增加,抽水井温度的变化幅度呈减小的趋势,但是对抽水井的温度总体影响不大;\n (2)在满足热泵系统用水量的情况下,抽水井温度的变化幅度随含水层渗透系数增大呈减小的趋势;\n (3)导水系数、井间距对抽水井温度的影响较大,随含水层厚度和井间距增加抽水井温度的变化幅度呈减小趋势,当含水层厚度和井间距增大到一定程度抽水井温度变化的幅度减小的趋势并不明显;\n (4)当由于回灌井堵塞回灌率不能保证100%时,随回灌率的降低,抽水井温度变化的幅度呈减小的趋势,有利于热泵系统的运行,但系统长期运行会造成地下水位有较大幅度下降;\n (5)为减小抽灌井占用场地面积和保证系统稳定性,对于一抽两灌运行模式应采用三角布置形式,不宜采取直线型布置方式;\n (6)当地下水流场存在天然水力梯度时,抽水井的温度变化幅度不明显,但在下游形成一定区域的“冷热岛”。

关键词： 地下水源热泵   物理堵塞   流量折减系数   淤堵机理  

摘要： 地下水源热泵技术(GSHP)是一种采集浅层恒温地能，同时满足供暖或制冷的需求，并且实现零污染排放的能源利用方式。2005年被中国建设部列为建筑业十项新技术之一，其在建筑物中的推广应用被国家列为节约资源工作重点之一，同时许多地方都把发展水源热泵作为发展本地经济的一个契机，对“节能减排”和“两型社会”建设具有建设性的意义。但是水源热泵回灌问题一直困扰着科研工作者和工程设计人员，而回灌困难主要涉及物理堵塞、化学堵塞、微生物堵塞这三个方面。本文着眼于物理堵塞机理及物理堵塞实验现象观测的研究，同时对地下水源热泵的THM耦合机理做出研究。\n 1)首先引出传统物理淤堵模型，传统物理堵塞模型是假定了悬浮颗粒在孔隙内自由流动的条件下得出的，因此模型在解释物理堵塞机理上具有一定的局限性；新模型建立过程中，把沉积过程中颗粒--流体两相流模型引入到GSHP回灌研究中，并且给出渗透率演化公式，在模型建立过程中分别考虑了以下两种情况：\n ①在模型方程中引入了流量折减系数和孔隙的可利用系数这两个系数，在质量守恒方程中考虑了悬浮颗粒尺寸排除效应的影响，同时把悬浮颗粒的捕获概率函数放入动力学方程中。\n ②在模型方程中引入流量折减系数和孔隙的可利用系数这两个系数的同时又提出了颗粒临界堵塞率，同时考虑了由于悬浮颗粒的沉积所引起孔隙率的动态变化。\n 2)利用自行研发的用于模拟砂层淤堵试验装置来观测悬浮颗粒的沉积过程。该观测系统采用透射式观测方案，可实时地、直接地观测砂层渗流的变化以及堵塞物在空间随时间的变化；系统采用双向水流驱动，首先该系统可以模拟地下水源热泵井的回灌过程，流体的速度可通过变频系统来控制，其次可以通过该系统对地下水源热泵井的井壁的回扬清洗情况达到实时的模拟效果；同时本试验系统还可以同时模拟地下水砂层中气泡的运移及其耦合作用，本文实验主要解决了以下问题：\n ①通过实验确定在多孔介质中，在不同的流速下水压力与横向距离的关系。\n ②通过实验确定在多孔介质中，在不同的流速条件下水压力与流速之间的关系。\n ③通过实验确定在多孔介质中，在不同的流速下水压力变化与时间的变化关系。\n ④通过实验确定在多孔介质中，在某一指定的流速下，在注入的悬浮颗粒浓度不变和可变时水压力与时间的关系。\n ⑤通过实验确定不同的多孔介质体在不同截面处的渗透率随时间的变化关系。\n ⑥通过实验确定在注入的悬浮颗粒浓度发生改变时，其渗透率的动态变化情况。\n ⑦在试验中通过强光照射并利用数码相机进行动态的拍摄在多孔介质里悬浮颗粒的沉积过程。\n ⑧利用数学模型来验证悬浮颗粒在多孔介质里发生沉积规律，得出用于描述悬浮颗粒沉积的参数(孔隙度，沉积率，恢复率等)。\n ⑨研究了不同孔隙介质内起始浓度对水压力的影响。\n 3)建立地下水源热泵井的热-流-固(THM)耦合方程，假定了岩/土体为不可压缩体，考虑了温度的改变对岩/土体密度变化的影响，在流体流动耦合过程中运用Darcy定律、Brinkman方程和Navier-Stokes方程；结合武汉百步亭小区工程，分别模拟了在不同井体类型条件下，井周和井内流体的流动耦合，同时对回灌压力与时间、距离的关系以及流体热传导与时间的关系进行了研究；然后建立了固体骨架的变形本构方程，模拟了在抽水条件下水压力图、位移云图以及地层的变形图；最后，通过实例来验证井体传热模型的准确性，提出的热传递模型同现场监测数据具有较好的吻合性。

关键词： 节能减排   地下水源热泵   边界设定   数值模拟   优化设计  

摘要： 节能减排是当今世界面临的重大社会问题之一,地下水源热泵空调系统作为一种新型的可再生能源利用技术,目前已在我国得到推广,其应用前景非常广阔。该系统利用浅层地下水温度较为恒定的特性,以浅层地下水作为能量载体,通过压缩机系统,在夏季将建筑物内的热量转移到地下水中,在冬季将地下水中的热量转移到建筑物内,实现了建筑物的制冷和供暖。地下水源热泵系统在运行过程中的瓶颈问题就是运行效率不高,即由于系统的抽灌井布局不合理,管道、设备选型不当以及不宜的抽灌井循环液流速导致地下水源热泵空调系统效率较低,只有通过消耗更多的电能以提取更多的地下水来实现建筑物的供暖制冷。因此,根据流体力学及热力学基本偏微分方程,建立地下水源热泵耦合模型,从而对抽灌水井布局进行优化设计是十分有必要的。 地下水源热泵系统长期运行对地下水温度场影响较大。根据柱坐标系流体连续性方程、运动方程和能量方程,结合地下水源热泵抽灌井边界条件建立光滑圆直管强制湍流模型。考虑热量传递三种方式,钻孔内除圆管内壁为固体圆环柱导热以外,管内外均为循环液的液态对流传热。地下水源热泵系统在土壤中的传热过程受地下水渗流的影响,是一个温度场-渗流场-应力场三场耦合的过程,长期运行对地下水温度场影响较大,需要对抽灌井进行合理布置。从达西定律出发,分析饱和区土壤中地下水源热泵抽灌井传热机制,建立温度场-渗流场-应力场三场耦合共同作用下的数学模型。研究有无地下水渗流以及渗流速度对抽灌井周围温度场变化的影响,为系统的优化设计与参数合理匹配提供理论支持。使用COMSOL Multiphysics软件对建立的模型进行分析模拟。理论及实例应用表明,通过材料、约束设定及网格划分,该模型在地下水源热泵抽灌井系统温度场-渗流场-应力场三场耦合模拟具有较好的适用性。使用Visual Studio集成开发环境编写地源热泵抽灌井计算机辅助设计软件,方便工程设计人员使用。

关键词： 浅层地热能   适宜性评价   宁夏沿黄河经济带城市   权重体系   评分体系   层次分析法   地下水源热泵   地埋管热泵  

摘要： 浅层地热能是地球热能的重要组成部分,温度稳定且分布广泛,是一种清洁的可再生资源,开发利用前景较好。随着宁夏社会经济的发展和党中央西部大开发战略的实施,宁夏沿黄河经济带城市的经济、地理位置日渐重要。本论文的目的是对宁夏沿黄河经济带重点城市浅层地热能开发的适宜性进行评价。 适宜性评价是开发利用浅层地热能重要的环节,其主要任务是在充分考虑水文地质条件、富水条件、渗透条件、水质水温条件、热物性条件以及地质环境条件等众多因素的基础上,按照不同的浅层地热能开发方式对研究区进行适宜性分区。本文中浅层地热能适宜性评价在确定评价因子的基础上分为计算与作图两个步骤,其中计算包括确定权重体系与确定评分体系两部分。本文采用层次分析法(AHP)确定适宜性评价中各要素的权重,评分体系则通过专家的综合打分来确定,借助ArcGIS软件对研究区内各要素属性赋值并进行空间叠加分析,最后将各要素权重与其相应的评分相乘相加得出最终的综合评分,依据综合评分进行浅层地热能适宜性分区。 通过评价得到以下结论：银川市建造地埋管热泵的条件较好,浅层地热能开发利用前景十分可观。与银川市相比,石嘴山市和吴忠市浅层地热能开发利用前景稍差；中卫市则是除了银川市之外最为理想的浅层地热能开发利用地区,无论采用地下水源热泵的方式还是地埋管热泵的方式,均具备较好的开发利用条件,此外,中卫市还具备得天独厚的旅游资源以及一定的经济实力,对于浅层地热能的开发利用起到了推动作用。

关键词： 地下水源热泵   建筑节能   含水层模拟   最优化理论   井群布置   板式换热器  

摘要： 近年来,随着国家政策加大对可再生能源项目的发展力度,地下水源热泵技术因其低能耗、稳定性高、绿色环保等优点成为一种可靠的建筑节能技术,在全国范围内开展的新项目也越来越多。但随着应用的增多,地下水源热泵系统存在的问题和设计方面的缺陷也日渐突出,诸如井群设计的不合理,地下水回灌难等。尤其是在初投资方面,地下水源热泵系统相比传统中央空调系统的费用高得多,也是影响地下水源热泵发展的重要因素。　　 本文针对以上问题,将南昌地区某售楼处作为建筑模型,利用建筑能耗软件DeST对该建筑进行能耗模拟,计算出该项目的全年逐时负荷,得到系统的负荷特性,夏季负荷大于冬季负荷,将夏季负荷作为系统设备选型的依据。根据实际工程要求和政策的向导,选择地下水源热泵系统为建筑空调和采暖。　　 根据负荷情况,设计出地下水源热泵系统的井群分布——一灌一回和一灌两回两种方案,利用地下水含水层模拟软件Flowheat对两种方案分别模拟系统在连续运行一个月和两个月后地下水含水层温度场和水头的变化情况,分析得到一灌两回井群布置方案能有效避免地下水源热泵系统极易发生的热贯通现象,在运行相同的时间后,一灌两回系统的地下水含水层的水头变化较小。但是由于系统初投资的问题,为了节省打井的费用,实际工程采用的是一灌一回井群方案。　　 为了从设备的角度解决地下水源热泵系统初投资高的问题,本文利用工程上常用的最优化理论,从单位投资的角度出发,对地下水源热泵系统的主要部件——板式换热器、热泵机组、风机盘管分别建立目标函数,并根据地下水源热泵系统的分类,建立开式地下水源热泵系统模型和闭式地下水源热泵系统模型。优化得出闭式系统所利用到的地下水量远小于开式系统,能有效避免地下水过度使用和被污染的问题。优化后发现两种系统中风机盘管和水源热泵机组的费用相差不大,但闭式系统中板式换热器的费用较多。

关键词： 地下水源热泵系统   工程应用   经济分析  

摘要： 随着经济的高速发展,能源供需不平衡和环境污染问题逐年恶化。以节能环保为主要优势的地下水源热泵技术应运而生,被冠以“绿色技术”的美誉。近年来,这项技术在我国发展势头良好,地下水源热泵空调系统的工程应用也犹如雨后春笋般扩展开来。为进一步推广该项技术的使用,必须掌握其关键所在,即系统的经济性和节能性。理论上讲,地下水源热泵空调系统是高效节能的,但实际应用中是否与理论分析一样节能,是受到多方面因素的影响的。例如,不同地区、不同工况下,系统的节能效果是各不相同的,有时节能效果不明显甚至根本不节能。而不少地区根本不结合工程实际情况,就盲目运用该技术,结果很可能适得其反。因此,只有对系统实际运行情况进行研究分析,才能准确并深入地评价其节能性。 本文以南昌国税综合业务用房项目地下水源热泵空调系统为研究对象,主要进行了以下几方面的研究: (1)结合工程实例,分析在系统设计与施工中可能遇到的问题,并针对性地提出相应的解决措施。讨论了地下水源热泵的环境效益、可能对环境造成的影响及注意事项等,并指出保证地下水回灌是解决地质环境问题的唯一有效措施; (2)通过对系统COP的分析,探讨地下水源热泵系统的运行性能。着重从水源侧系统设计角度出发,探讨系统运行的最佳工况,并提出了确定该最佳工况的方法,及使系统运行更为节能的措施,如水源侧水泵的变频控制及水源侧大温差供水技术等等。 (3)将地下水源热泵空调系统方案和冷水机组+燃气装置,溴化锂吸收式直燃机组,风冷热泵等传统系统在实际的工程应用中,进行经济性分析和比较。通过比较各方案的运行费用,并分析在何种工况下,系统的节能效益开始降低,得出何种方案更经济,在运行能耗方面更具节能优势。 通过对地下水源热泵空调系统的工程实例应用的研究和经济性分析,明确了该项技术在工程应用中的可行性和优越性,指出结合科学合理的系统设计、施工以及运行管理更能体现出其节能性,更能促进这一绿色生态建筑技术的广泛开发及应用。