关键词： 地下水源热泵   适宜性   研究  

摘要： 郑州市地下水源热泵技术应用较晚,发展时间较短,资源勘查评价、开发利用技术研究等工作相对滞后。本次适宜性研究基于规范,同时又结合当地实际进行优化,运用GIS空间分析技术对郑州市地下水源热泵适宜性进行研究,旨在为国土部门管理规划提供专业参考,避免因盲目兴建所造成的环境问题。

关键词： 地源热泵   温度场   能效   井筒-储层耦合模型   单井系统  

摘要： 以北京地区实际井参数刻画的单井地下水源热泵为研究对象,利用T2Well模拟器对单井系统地源热泵运行过程进行全面模拟,并对主要参数进行敏感性分析,探究对单井系统生产井温度、热突破时间的影响。距离井筒相同位置不同深度的点,埋深越大受回灌水温度的影响越小。每个运行周期结束时,温度场分布都能得到一定程度的恢复(同一周期内初始温度场相比)。水平方向渗透率同垂向渗透率的比值越大,越有利于回灌水在含水层中的运移,可有效保证热泵系统的取热温差。初步预计一个单井水源热泵系统能满足北京地区约1.5万m^2面积建筑的供暖需求,约1.6万m^2面积建筑制冷需求。

关键词： 多孔介质   地下水源热泵   回灌   颗粒迁移-脱离模型   堵塞区  

摘要： 开展多孔介质中悬浮颗粒的迁移-脱离过程研究对地下水回灌工程、注浆工程和石油工程等具有重要意义。以地下水源热泵工程为依托,提出了描述颗粒迁移-脱离过程的波浪状曲面模型,研究不同的粒径组合以及不同压力对多孔介质中颗粒迁移以及脱离特性的影响。在此基础上,采用Comsol对典型地下水源热泵工程进行模拟,揭示了不同粒径及压力分布条件下回灌堵塞区分布规律。结果表明:在相同颗粒粒径组合(相同临界速度)下,压力越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越大;在相同压力下,临界速度越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越小;其他条件相同时,位置离抽水井和回灌水井越近,压力越大,渗流速度越大,悬浮颗粒越容易脱离。

关键词： 地下水   水源热泵   水资源管理   回灌率   西安市  

摘要： 通过调查统计西安城区水源热泵系统历史运行数据,对水源热泵系统用户分布、运行现状及回灌率等内容进行了评价,系统分析了水源热泵系统运行过程中存在的问题,从制度建设、行政监管、水资源税征收及技术创新等方面进行分析,提出应通过建立健全水源热泵系统运行管理规定、建设高效智能的水源热泵运行监管平台、充分发挥水资源税征收的奖惩机制和强化创新研究,着重解决可持续回灌技术瓶颈等策略,保证西安城区水源热泵系统的可持续利用和发展。

关键词： 地下水源热泵   经济   节能   分析  

摘要： 本文对安阳地区地下水源热泵项目实例进行设计研究,从经济性和节能性两方面对地下水源热泵作为安阳地区空调系统冷热源进行分析。通过分析可以发现地下水源热泵作为安阳地区空调系统冷热源经济性、节能性显著。

关键词： 地下水源热泵   抽灌井   THM多场耦合   热贯通  

摘要： 近年来,地下水源热泵技术因其比传统空调系统具有运行稳定、节能高效、利用方便、成本和环境影响低等特点,已经广泛应用于建筑行业,逐渐成为我国节能减排的重要技术。地下水源热泵的效率与性能与地下含水层地质条件和抽灌井布置密切相关,而不当的布置和设计会造成热泵系统抽灌井间的热贯通,这种现象既会导致热泵效率下降,也会破坏含水层地质环境,从而影响热泵系统的寿命。因此加强地下水源热泵对含水层影响规律的研究,合理设计和应用地下水源热泵系统,才能实现浅层地热能的可持续应用。本文利用地下水渗流、传热和孔隙介质力学理论,研究了地下水源热泵系统的热-流-固多场耦合规律。首先推导了地下水源热泵运行时含水层的热-流-固耦合分析模型,并基于COMSOL Multi-Physics 5.5有限元数值模拟软件平台,对地下水源热泵不同运行阶段进行了数值模拟,得出了地下含水层温度场、渗流场和应力场在不同运行阶段的演化规律。此外,进一步分析了影响地下多孔介质传热传质的重要参数。从减缓热贯通和提高热泵系统能量输出两方面出发,用数值模拟的方法研究了不同含水层渗透率、孔隙率、含水层厚度、天然地下水流速度、抽灌速率、抽灌温差以及抽灌井间距等因素对水源热泵性能的影响,讨论了避免过早热贯通和提高系统输出能量的策略。最后,对一抽两灌和两抽两灌布置方案进行了模拟计算,比较了不同布置方案的优劣性。并且对换井模式进行了数值模拟,探讨了优化热泵系统、减少不利环境影响和提高系统可持续性的方法。研究结果表明:(1)含水层的热注入会产生以回灌井为中心的热影响区域。随着时间的增加,热影响区域不断增大,当热影响区域到达抽水井,对抽水温度产生影响,系统会发生热贯通导致效率下降。(2)含水层渗透率、孔隙率、含水层厚度、地下水流速度、抽灌速率、抽灌温差以及抽灌井间距是热影响区域扩散的重要参数。在保证热负荷的同时,避免系统过早热贯通应该采用大温差和小流量的工况,并应该将抽水井布置在回灌井上游且地下水流速较大的区域,在空间允许的范围内将抽水井和回灌井布置相距较远。(3)一抽两灌和两抽两灌布置方案在缓解热贯通和提高系统性能方面均优于对井系统,且不同阶段进行抽灌井互换可以有效解决热泵系统长期运行造成的水层冷、热堆积的问题,提高热泵能量输出的同时也减少了环境影响。

关键词： 地下水源热泵   承压含水层   物理堵塞   外源性颗粒   迁移特性  

摘要： 地下水源热泵系统一般是以承压含水层作为冷热源,通过换热设备实现向建筑物供暖制冷的绿色空调系统,在节约能源、减少污染方面的贡献毋庸置疑,但同时也带来了一些负面影响,其中向中细砂承压含水层回灌困难是制约其可持续发展和技术进步的关键。在一些地区,承压含水层以松散沉积物如中细砂为主,砂土颗粒之间非关联,本身渗透性差,这将导致回灌水在含水层内流动缓慢,同时回灌水所携带的外源性颗粒将堵塞渗流通道,降低回灌区域含水层的渗透性能。根据堵塞机理可将堵塞主要分为物理、化学、生物堵塞,其中固体颗粒堆积引起的物理堵塞占总堵塞的50%,堵塞发生快且程度严重,因此,探究回灌过程中外源性固体颗粒在近井壁处承压含水层内的运移特性显得尤为重要。本文设计并搭建了悬浊液回灌砂箱试验台物理模拟地下水源热泵回灌过程,以控制变量法设计共4组试验工况,分别开展了两种初始回灌压力（17.058 k Pa和14.000 k Pa）,三种固体骨架颗粒级配（Dp=1.026 mm,Dp=1.343 mm和Dp=1.721 mm）的回灌试验,来研究地下水回灌诱发的近井壁处外源性颗粒的运移-沉积特性,以及过滤回灌水时滤膜等级的选择,研究结果表明:（1）悬浮颗粒在近井壁处含水层内的运移受机械弥散影响,初始回灌压力越高、固体骨架颗粒越粗时,悬浮颗粒运动所受弥散作用就越显著,具体表现为此时较大悬浮颗粒的穿透时间相对于滞后。（2）回灌悬浮颗粒在管井内流动时存在能量损失,易被筛滤网过滤且受重力作用沉积在砂箱进水室和近井壁处含水层内,固体骨架颗粒越细沉积越容易发生。（3）各工况试验中回灌压力的总体分布趋于一致,均在出现最大值后逐渐下降,最终维持某一压力水平。由于试验运行时间与模式有限,回灌压力未发生明显的周期变化,实际工程中渗流通道内颗粒堵塞可能会周期性重复,因此判断在长期持续的地下水源热泵回灌过程中回灌压力应同颗粒堵塞发展过程协同变化。（4）流出悬浮颗粒分布主要集中在1-30μm,粒径水平总大于目前回灌水处理过滤器等级为3μm的过滤要求。可以认为对回灌水所携带3-30μm悬浮颗粒进行过滤处理的必要性不大,可选择性降低过滤器等级以降低过滤成本;同时,在保证防砂前提下,井壁筛网的孔径应尽可能允许携砂回灌水通过。（5）初始回灌压力和固体骨架颗粒级配均影响渗透系数变化。初始回灌压力越低、固体骨架颗粒越细时,渗透系数被影响的渗流范围越大;骨架颗粒越粗,悬浊液对渗透系数的变化影响越不明显。悬浮颗粒在多孔介质内的运移受边界的影响,反映为砂箱左右两侧渗透系数变化趋势相似,且较渗流中心面处小,但上下边界的影响不明显。综上所述,初始回灌压力和固体骨架颗粒级配是影响近井壁处外源性颗粒运移的重要因素。在实际地下水源热泵回灌项目中,完成目标含水层勘测后,可设计较大回灌压力,以降低外源颗粒在近井壁处沉积风险,该处同时是治理恢复堵塞的关键环节;对于回灌水过滤处理程度,也可根据当地含水层条件选择合理的过滤器等级。

关键词： 浅层低温能   地下水源热泵   适宜性评价   热突破   石家庄  

摘要： 石家庄作为“京津冀”中心城市之一,正处于“京津冀协同发展”战略机遇期、生态环境和大气环境改善的端口,迫切需要开发利用清洁可再生能源。地下水源热泵作为浅层地温能开发应用技术不可或缺的一部分,具有低碳、节能、高效的特点,在国际上被广泛应用及推广。但是在地下水源热泵实际应用中仍存在盲目选址及布井的现象,导致运行过程中出现供水不足、回灌堵塞乃至“热突破”发生,严重影响了机组换热效率,恶化了地下水初始环境。为此,本文以寻找石家庄市可替代绿色能源为目标,首先根据地质、水文地质条件、地下水动力条件、地下水化学条件、环境地质条件对石家庄市进行地下水源热泵适宜性分区评价;在划分适宜性分区的基础上,构建三维水热耦合模拟模型,分析不同井间距、不同抽灌量情况下的含水层温度场变化规律,以此为石家庄市地下水源热泵的规划开发利用提供科学合理的依据。通过研究本文得出以下几点结论:(1)分析了影响地下水源热泵赋存条件、开发利用及运行效率的各项因素,并据此建立了石家庄市地下水源适宜性评价指标体系;并采用模糊层次分析法结合GIS对石家庄地下水源系统工程应用适宜性进行了分区评价,评价结果显示:“研究区内地下水源热泵适宜区面积为19.74km;较适宜区主要分布于中部地区,面积为251.22km;不适宜区面积为66.71km。”(2)在地下水源热泵适宜性评价基础上,采用数值模拟软件构建了三维水热耦合模拟模型,模拟了不同井间距、不同抽灌量情况下的含水层温度场变化,模拟结果显示:当抽灌井的井间距为50m时,抽灌流量控制在1750m/d以下,回灌井产生的温度场对抽水井的温度影响较小,不会影响水源热泵的换热效率;当抽灌井的井间距为60m时,抽灌流量控制在2250m/d以下,回灌井产生温度场不会对抽水井温度产生较大影响;当抽灌井的井间距为70m时,应控制抽灌量为2750m/d才不会发生“热突破”。(3)回灌井产生的冷锋面运移速度及对抽水井的影响程度受抽灌量与井距控制,抽灌量越大,开采井产生的水动力场越强烈,冷锋面向开采井汇集速度越快;相应的井间距越大,开采井受冷锋面影响越小。

关键词： 地下水源热泵技术   渗流换热能力   多孔介质特性   热渗耦合模拟   抽灌运行优化  

摘要： 一个高效节能环保的地下水源热泵系统的设计与地下土壤的热渗换热的研究密不可分。目前在国内关于抽灌井区的温度场模拟方面还处于起步阶段,在研究热贯通发生时间及其影响因素之间的关系方面还很少。因此,为有效利用地下热能资源,本文结合地下水源热泵取注水情况,研究不同地质条件下含水层的渗流换热特性,讨论地下水源热泵系统的建设和优化。本文通过构建地下水渗流数学模型和热量运移的数学模型,分析抽灌流动下含水层多孔介质特性对地下水取水换热特性的影响。基于COMSOL软件模拟不同情况下含水层温度场的分布情况,并探讨地下水源热泵系统的优化运行模式的作用效果,并提出和验证了“大温差小流量”运行管理模式能够明显提高系统的取水换热能力。不同渗透系数的砂土介质对含水层渗流换热能力影响较大。渗透系数大于20m/d的砂土的不同渗透系数值对渗流换热影响十分明显。尤其当水力坡度较大时,不同渗透系数的砂土对渗流场和温度场的影响较大。因此,在实际勘察中,对于粒径较大砂土,需要具体测定其渗透系数大小以评价含水层的渗流换热能力。而对于渗透系数小于5m/s的砂土,如细砂或粒径更小的砂土类型,可通过查阅资料并取该类型砂土渗透系数的平均值来估计含水层渗流换热能力,而不需要通过实验来测量其准确的渗透系数值。该研究结论可辅助工程应用中对含水层渗流换热能力的评估。另外,为解决地下水源热泵在开发建设后效率不高的问题,本研究模拟验证了“大温差小流量”运行管理模式对提高系统取水换热的重要性。“大温差小流量”的运行管理模式不仅减小水泵运行的压力,还能够有效避免热贯通现象的发生。并且该运行管理模式也能够有效弥补在地区性含水层渗透系数较小和水量不足的问题,在传统地下水源热泵的优化改造中,可以优先考虑通过调整为“大温差小流量”的运行模式来优化系统。

关键词： 地下水源热泵   水热均衡   群井抽灌试验   水化学分析   数值分析  

摘要： 通过实地调查西藏某地下水源热泵系统水文地质环境,基于72小时群井抽灌试验,取得该系统运行过程水热均衡的初步研究成果:(1)该系统将抽出的地下水经热交换装置吸收(或释放)热量后重新回灌入地下,中途消耗水量较少,但由于含水层水文地质条件差异,含水层渗透系数最终将衰减至10m/d左右,长期运行最终可能导致回灌堵塞。(2)通过对该系统长期运行时的地下水头变化进行分析计算,结果显示一个周期(90天)内运行末期地下水头差在-2m至+1m范围内,表明该系统基本能保证抽灌水量均衡稳定。(3)通过对该系统运行时的地下水温进行监测,计算分析该系统长期运行时地下水温变化,结果显示系统运行末期抽水井1#和抽水井2#处水温分别下降3.607℃及1.546℃,表明该系统长期运行时会在局部产生热贯通并改变地下水温度。(4)通过对该系统运行前后的地下水进行水化学分析,对比试验前后水质变化,认为该系统会使地下水中硝酸盐及氟化物含量增加,长期运行或造成污染。