关键词： 地下水源热泵   换热模型   热屏障井   热贯通  

摘要： 对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。

关键词： 地下水源热泵系统   水资源管理区划   水热耦合   潜力评价   安阳市  

摘要： 浅层地热能的开发利用对大气污染治理、清洁能源推广利用具有重要的意义。地下水源热泵系统作为开发利用浅层地热能的一项重要技术,在安阳市得到了广泛的应用。部分地下水源热泵系统在实际的建设运行过程中未进行科学的选址规划和潜力评价的研究,忽视当地水资源管理政策,导致建设的地下水源热泵系统腐蚀、回灌效率降低以及与其他用户产生热贯通现象等,严重影响了地下水源热泵系统的使用。因此,迫切需要进行地下水源热泵系统建设水资源管理区划及潜力评价的研究,为浅层地热能的可持续利用提供参考。本文以安阳市地下水源热泵系统为研究对象,在前人研究的基础上,通过采集和整理水文地质资料,对研究区地下水源热泵系统进行水资源管理区划;选取典型的系统进行数值模拟计算,研究最佳井间距和布井模式;综合水资源管理区划结果,结合水热耦合模型确定的井间距及布井模式,进行潜力评价。通过上述研究得出以下主要结论:(1)通过分析研究区浅层地热能赋存条件,结合水资源管理措施,建立了安阳市地下水源热泵系统水资源管理区划评价指标体系;采用云模型改进的层次分析法计算了指标权重,结合GIS空间分析功能完成了一级评价,在此基础上结合水资源管理分区完成了二级评价。将研究区地下水源热泵系统水资源管理区划分为了 3个等级,其中,适宜发展区面积117.45 km2,限制发展区面积459.26 km2,禁止发展区面积24.02 km2。(2)根据场地地下水源热泵系统资料,建立了含水层水热耦合模型。利用FEFLOW软件模拟了根据天气变化情况的变流量和传统的定流量两种模式下的不同井间距温度场特征。结果表明:相同井间距情况下的变流量模式较以往定流量模式发生热贯通概率变小,温度变化减小,拟合的最佳井间距分别为79.75 m 和 95.35 m。(3)通过对四种常用布井方式的水热耦合模型分析,结果表明:从热突破时间和温度场恢复能力这两个角度分析最优的布井方式为等腰三角形和直线形异侧两种抽灌模式,然而综合考虑建设场地和对其他用户的影响,最终将直线形异侧定为最佳布井方式。(4)潜力评价结果表明:研究区平均供暖潜力在0.67～1.80× 104m2/km2,平均制冷潜力在0.72～1.92×104m2/km2之间的概率为90%,可信度极高。同时,蒙特卡罗法计算的50%频率下开发利用潜力与传统方法相差不大,可作为地下水源热泵系统潜力评价的优选频率。研究区开发利用地下水源热泵系统年节约标准煤量2.25×108kg,年节能价值1.46×108元,年减排价值3.13×107元。利用云模型改进的层次分析法进行指标权重计算,使水资源管理区划结果更加全面合理;水热耦合模拟中根据天气变化确定的变流量模式将暖通空调和水文地质进行良好的结合,确定的井间距和布井模式可以更好的应用于水资源管理和潜力评价;综合水热耦合模型和水资源管理区划结果进行潜力评价,为地下水源热泵系统科学选址及合理的开发利用提供参考。

关键词： 地下水源热泵   气相堵塞   砂箱实验   堵塞防治   回灌堵塞   水文地质  

摘要： 地下水源热泵是一种将低位热能转化为高位热能的能源，由于其占地面积小，运行管理简单，机组效率高，因此在沈阳及全国范围内都得到了广泛的应用，发展十分迅速。但由于地下水回灌技术目前还不够成熟，使得回灌效率大大降低，回灌堵塞问题限制了水源热泵的发展。现如今物理、生物、化学等单方面的堵塞问题都进行了较多的研究和探索，但是由于气体进入到含水层中所造成的气相堵塞却没有得到重视，缺少针对性的研究。据统计，10%的回灌井堵塞是由气相堵塞引起的，但是对于气相堵塞的研究目前鲜有涉及。本次通过研究气相堵塞机理，为未来气相堵塞防治提供新思路新方向。具体研究内容如下：　　(1)研究区自然概况分析：通过水文地质条件研究，分析了研究区包气带特征、水文和气象特征、含水层特征、地下水循环和动态特征、地下水温变化等特征。发现丰水期降水量增多，地下水位抬升，包气带变薄。枯水期降水量减少，地下水位下降，包气带变厚。三月份包气带最厚，九月份包气带最薄。地下水温随着地层深度的增加，恢复速率变快，因此地下水源热泵系统水井应布设在常温带和增温带，未避免“热贯通”现象的发生，抽水井的取水管埋深应在25米以下。　　(2)气相堵塞对水源热泵影响的室内模拟试验：通过室内回灌试验，在实验室用砂箱模拟装置研究气相堵塞的规律和机理，采用曝气装置对回灌水进行人工回灌，定时记录回灌出水流量，对渗透系数进行研究，从实验数据中发现气相堵塞的渗透系数呈一阶负指数衰减，在回灌一定时间后渗透系数逐渐平稳，实验结果说明随着回灌水中气体的增多，溶解氧含量的增加，使含水层的渗透能力减弱，造成回灌井产生气相堵塞问题。　　(3)地下水源热泵气阻分层抽灌和排气减压复合井防治技术现场试验：根据现场抽水和回灌试验，得到单井最大抽水和回灌量，计算出抽水井和回灌井的数量，进而确定合适的布井方案。根据研究区含水层和包气带特征的不同分别采用分层抽灌和排气减压复合井防治技术，最后利用FEFLOW建立数学模型，模拟不同防治技术对周围地下水的水位和水温的影响，模拟结果显示对附近的地下水影响较小，也能满足用户对采暖和制冷的需求，井群的布置很合理。　　(4)地下水源热泵气阻防控措施：根据地下水源热泵气阻分层抽灌和排气减压复合井防治技术现场试验，提出针对不同地方地下水源热泵回灌井中气相堵塞的具体防治措施，采用分层抽灌技术和排气减压复合井防治技术。　　本文通过室内砂箱模拟实验和实际项目中出现的气相堵塞问题进行防治技术的现场试验，发现气体的存在和数量的增加会造成回灌井堵塞，针对具体情况提出了气相堵塞防治技术及措施，为推动地下水源热泵的发展做出贡献。

关键词： 地下水源热泵管网   退役铸铁管道   铁细菌   生长特性   腐蚀规律  

摘要： 地源热泵是一种将浅层地能作为冷热源，实现能源转换的可再生能源利用技术，因其经济、高效、环保的优点而得到广泛的使用。地下水源热泵作为该技术的重要分支之一，被用于地下水充足的地区，起到夏季制冷冬季供热的作用。但在实际应用中，其管道因腐蚀而影响回灌效率，甚至破裂，造成不必要的经济损失和资源浪费，而微生物腐蚀在腐蚀中占了较大的比重。故通过对铁细菌腐蚀的研究，探究了铁细菌的生长特性和腐蚀规律，从而为后续对微生物腐蚀的研究提供理论支持。　　本研究从沈阳市盛京医院滑翔院区地下水源热泵管网退役铸铁管道的腐蚀垢层中分离纯化出铁细菌作为后续腐蚀实验的微生物材料，通过铸铁试片的静态腐蚀实验探究不同温度和不同pH条件下铁细菌的生长特性和腐蚀规律，通过自制实验装置模拟铸铁试片的动态腐蚀实验探究不同铁、锰离子浓度下铁细菌的生长特性和腐蚀规律。主要研究成果如下：　　（1）通过对腐蚀垢层的电子扫描电镜分析，发现腐蚀垢层内有团聚现象，且聚集紧密，该结构有利于铁细菌在管道内的生存，且从腐蚀垢层中分离出了铁细菌。通过Winogradsky培养基分离纯化铁细菌，获得的铁细菌为革兰氏阴性菌，其在固体培养基上的菌落为直径1 mm左右的平滑圆形，表面棕褐色且有金属光泽，菌落中间较厚隆起，有轻微的酸臭味。　　（2）设置不同温度和不同pH的铸铁试片静态腐蚀实验，利用平板计数法测量悬浮铁细菌和附着铁细菌的总量，利用失重法测算腐蚀速率来表征腐蚀情况，分析温度和pH对铁细菌生长总量和腐蚀规律的影响。根据静态实验结果可知，铁细菌会促进铸铁腐蚀，其中，温度对铁锰离子浓度影响较小，在无菌情况下，温度升高会促进铸铁的腐蚀，在接种铁细菌的情况下，温度升高铁细菌更容易生长繁殖，使铸铁腐蚀更快;在酸性条件下，铁锰离子更难产生沉淀，铸铁更容易被腐蚀，铁细菌在酸性情况下也更容易生长繁殖，促进铸铁的腐蚀。　　（3）设置不同Fe2+和Mn2+的浓度，使用自制模拟装置，利用平板计数法测量附着铁细菌的总量，利用失重法测算腐蚀速率以及电子扫描电镜分析腐蚀情况，分析Fe2+和Mn2+对铁细菌生长总量和腐蚀规律的影响。根据动态实验结果可知，Fe2+含量越多，铁细菌更容易生长繁殖，Mn2+也能促进铁细菌生长繁殖，但影响不大。无菌情况下，铁锰离子对腐蚀影响不大，铸铁的腐蚀是局部腐蚀，但在接种了铁细菌的情况下，铁锰离子的含量越多，铁细菌越容易生长繁殖，并通过点蚀加快了铸铁的腐蚀速率。

关键词： 土力学   水源热泵   压力回灌   非饱和渗流   进气压力   FLAC3D  

摘要： 回灌堵塞分析基于饱和土的渗流研究较多,而本文更偏向于非饱和渗流下的堵塞分析。因此针对武汉地区水源热泵压力回灌困难的问题,运用非饱和土VG模型,结合相关抽水回灌实例,对不同压力下的土体饱和度进行验算,并分析抽回灌量的变化,得出压力回灌会加大气相因素的涉入,一定程度上可发生非饱和渗流。在气相堵塞的基础上,进一步产生"非饱和堵塞"。另外利用FLAC3D数值模拟软件进行模拟,把压力回灌的孔压场与非饱和渗流孔压场进行对比,验证非饱和堵塞形成过程中孔压场的变化,并且得出回灌井周围发生非饱和渗流的区域,提出前后期清淤的不同措施建议以及分段堵塞的研究新思路。

关键词： 地下水源热泵   孔隙水天然流动   取水换热特性   设计优化  

摘要： 地下水源热泵技术可以有效利用浅层深度中具有相对稳定温度的地下水作为低品位热能,因其清洁环保的特点而被广泛应用。抽回灌过程中含水层存在复杂多变的热量运移情况,含水层水动力场变化会引起含水层地下温度场的变化。含水层水动力场是由孔隙水天然流动产生的水动力场和抽回灌过程所引起的水动力场的叠加场,因此孔隙水天然流动会对含水层地下温度场的演变产生不可忽略的影响。尽管目前国内外学者对影响叠加动力场的因素进行了广泛研究,但基于分析不同情况下的孔隙水天然流动时对地下温度场的影响,并据此提出抽回灌井结构特性设计优化的研究工作还不多见,尤其是基于此的对于井群结构特性设计优化的研究很少,因此有必要对考虑孔隙水天然流动时对地下水源热泵渗滤取水换热特性的影响进行更加深入的研究。本文通过理论分析、数值模拟和计算分析的方式,基于达西定律和多孔介质传热理论建立水-热耦合模型,采用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对考虑孔隙水天然流动时地下水源热泵渗滤取水换热特性进行分析,研究孔隙水流向、天然流速、多孔介质物性参数对含水层地下温度场的影响,以热贯通发生的时间、热扩散程度和换热量作为衡量系统渗滤取水换热特性的标准,并从井径、抽回灌井间距、抽回灌井布局模式三个抽灌井群结构特性设计方面进行优化分析,进一步完善地下水源热泵在实际工程应用中的理论基础。通过分析孔隙水在三种不同流向（顺流、逆流和交叉流）下对取水换热特性的影响,得出就运行末期抽水井处平均温度降幅来说,逆流流向为顺流流向的0.32%,为交叉流流向的6.67%;与理想无热量损失条件下的换热量相比,顺流、交叉流和逆流提取换热量的热损失率分别为63.4%、3%和0.05%。因此在实际工程中,优先选择逆流流向的井群布置方式,将抽水井布置于回灌井上游侧。通过分析孔隙水在五种天然流速下对取水换热特性的影响,得出顺流流向随着孔隙水天然流速增大,热贯通发生时间提前,热量损失增大;逆流流向随着孔隙水天然流速增大,抽水井处平均温度发生变化的时间延迟,当天然流速达到4×10-6m/s时抽水井处温度不受回灌水的影响;交叉流流向在v=8×10-7m/s时发生热贯通,随着天然流速增大热量损失大体趋势随之减小,但回灌水向抽水井处运移过程较为复杂,不可一概而全。通过控制变量法分析多孔介质物性参数对取水换热特性的影响,得出k=70m/d时,提取的换热量分别为k=7m/d、k=15m/d和k=35m/d时的1.12、1.07和1.02倍,渗透系数越大,越有利于地下水源热泵取水换热;M=40m时,提取的换热量分别为M=15m、M=20m和M=30m时的1.26、1.15和1.02倍,含水层越厚,越有利于地下水源热泵取水换热;导热系数和孔隙率的变化对地下水源热泵取水换热特性几乎没有影响。为更好的优化处于平缓水力坡度的孔隙水在粗砂砾含水层中的天然流动为水文地质条件下的地下水源热泵系统设计方案,分析得出在涉及抽回灌井数量较多的大规模地下水源热泵项目应用中,可以通过增大井径尺寸、根据场地条件合理增大抽回灌井间距和采用抽回灌井错位布局的方式提高换热量。

关键词： 地下水源热泵   地温场   数值模拟   热堆积  

摘要： 地下水换热系统实验场地位于北京市平原区,地层岩性属河流相沉积。建立水源热泵抽灌区地下水渗流与热量运移的三维耦合数值模型,采用COMSOL Multiphysics有限元软件模拟了热泵单一制冷季运行条件下,地下水与岩土体的热平衡过程。结果发现:地下水渗流速度随水井抽灌状态改变呈间歇变化,不同含水地层水井热影响半径及热运移速度不同,水源热泵换热区地温在一个制冷季和一个间歇期后未恢复至初始状态,出现地层热堆积和抽灌井区热贯通现象。

关键词： 地下水源热泵系统   蓄热期   地下水流场   温度场   数值模拟  

摘要： 为探究地下水源热泵系统运行期间地下水流场和温度场变化规律,以江汉油田供热移交改造项目——向中能源站地下水源热泵系统工程为例,利用MODFLOW软件的MT3D模块建立地下水流—热运移耦合数值模拟模型,模拟该系统在运行期、蓄热期和恢复期间区内地下水的渗流场和温度场。结果表明,在抽灌井交叉布局且存在蓄热期回补热量的情况下,地下水源热泵运行期结束后抽灌井处地下水位、温度能较快地得到恢复,次年至今后若干年后取水、取热不易受影响,地下水源热泵系统工程能持续有效地运行。

关键词： 地下水源热泵   回灌堵塞   堵塞机理   防治措施  

摘要： 21 世纪,目前在我国地下水源热泵发展十分迅速,应用也日益广泛。就大多数地质条件而言,取水容易回灌难是一个不争的事实,地下水回灌技术严重制约了地下水源热泵的发展,主要是由于含水层堵塞及过滤器堵塞等问题影响了回灌。地下水源热泵回灌堵塞根据成因分为三种类型:物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞。根据地下水源热泵回灌中存在的问题总结回灌堵塞机理并提出防治措施与展望。

关键词： 地下水源热泵   技术   节能   效益  

摘要： 本文以北方某基地地下水源热泵项目为例,从地下水源热泵的原理、节能特点等方面进行了分析,得出地下水源热泵系统在节能、环保和社会效益等方面的重要作用和意义。