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。

关键词： 水源热泵系统   抽水与回灌   水文地质   襄阳   地下水  

摘要： 我国鼓励开发利用新能源和可再生能源,地源热泵所使用的地热能正是属于可再生能源。国外的热泵技术发展已经非常完善,而我国地下水源热泵技术应用仍有待推进。文章结合襄阳地区某项目工程案例,介绍了工程概况,并分析了地下水源热泵系统的应用设计,然后通过抽水、回灌试验验证地下水源热泵系统的运行效果,并结合项目运行后监测的数据,改进实际出现的问题,为类似地下水源热泵工程提供了可参考的经验。

关键词： 地下水源热泵   热渗耦合   地温场   热贯通   运行模式  

摘要： 基于上海市某地下水源热泵工程项目,采用COMSOL Multiphysics有限元分析工具建立二维简化的热渗耦合数值模型,模拟采能区含水层多孔介质热量运移过程,并利用热泵运行3年的现场监测数据进行模型的识别与验证。探讨热泵系统冷、热负荷设计和抽、灌模式两个方面对采能区地温场效能的影响,分析和预测不同工况下热泵运行期间地温场的演变特征,最后对系统的运行效果进行评价。结果表明:该热泵系统按原设计方案运行时,抽灌井短期运行效果良好,但在第7个供暖期末将出现热贯通现象,长期运行将不利于热井的取热;如果减小20%热负荷、增加20%冷负荷,会使冷影响区扩散速度降低46.3%,系统运行效果得到显著改善,在模拟的9个运行周期内并未出现热贯通现象,说明合理调节冷、热负荷有利于热泵系统的长期稳定运行;当冷、热负荷恒定时,分别减小10%和20%的循环水量将会使冷影响区扩散速度分别降低9.3%和15.7%,有效地缓解了热贯通的发生,且仍能满足项目对于制冷供暖的需求,进一步阐明了地下水源热泵系统宜采用“大温差、小流量”的抽灌模式。

关键词： 太阳能   地下水源热泵   Trnsys仿真   投资回收期  

摘要： 目的 研究太阳能辅助地下水源热泵技术在严寒地区的实际应用性能,缓解严寒地区大型公共建筑能耗过大、污染物排放过多的情况。方法 以沈阳市某大型公共建筑太阳能辅助地下水源热泵系统为例,使用Trnsys软件搭建太阳能辅助地下水源热泵系统仿真模型;使用热电偶温度计、超声波流量计等仪器进行实验测试,依据实验结果验证仿真模型的准确性。基于Trnsys仿真模型,分析太阳能辅助地下水源热泵系统在严寒地区的运行特性,并与单独地下水源热泵系统进行对比。结果 建立的Trnsys仿真模型模拟结果与实验结果的全年最大相对误差约为7.1%。当太阳能辐射强度达到450 W/m^(2)以上时太阳能系统满足开启条件。太阳能系统全年开启时间约47 683 min,供水量约3 910 m^(3)。地下水源热泵冬季为建筑供暖时平均制热系数约4.23,夏季为建筑供冷时平均制冷系数约4.68。太阳能系统的使用增加了约20%的初投资,但年运行费用明显降低,投资回收期约3.3年。结论 太阳能辅助地下水源热泵系统在严寒地区是一种有效的技术手段,大大降低了对环境的污染。

关键词： 浅层地温能   地下水源热泵   适宜性   层次分析法   广安  

摘要： 浅层地温能的开发利用有助于优化区域能源结构、提升环境质量。为了掌握广安市主城区浅层地温能的赋存特征及其适宜性,为广安市对浅层地温能的开发利用提供科学依据,以广安市主城区为研究对象,根据已取得的资料和测试数据,并通过对研究区内浅层地温能赋存条件及特征的研究,应用层次分析法对研究区进行地下水源热泵适宜性分析评价。研究结果表明:基于层次分析法的评价模型,建立了目标层、属性准则层(3个属性准则)和评价要素指标层(7个评价指标),构建出各层次的判断矩阵,并通过一致性检验,所构建的评价模型符合实际;由于研究区的含水层富水性差、含水层渗透系数小、地下水水质差,地下水源热泵适宜性差;评价结果对研究区地下水源热泵的开发利用具有科学的指导性。

关键词： 地下水源热泵   同层等量回灌   取水管理  

摘要： 取水等量回灌原含水层,取热不取水是地下水源热泵系统规范运行的基本条件。本文针对地下水源热泵系统的取用水特征,分析地下水源热泵项目建设和运行阶段存在的突出问题,提出地下水源热泵系统管理对策与建议,以提高系统运行管理质量。

关键词： 地下水源热泵   咸水入侵   多场耦合   数值模拟  

摘要： 为了保证浅层地热能可持续开发,同时控制深层承压淡水咸化,需评价浅层地热能开发对深层地下水咸化控制效应。基于地下水渗流、热量运移和溶质运移理论,以江苏省地质工程勘察院(南通分院)地下水源热泵系统为研究对象,建立松散孔隙地下水系统渗流—热量运移—溶质运移多场耦合数值模型,模拟预测了第Ⅰ承压含水层浅层地热能开发过程中地下水系统水位、温度、水化学浓度的演化规律,通过增大利用温差和减小夏季灌采比优化浅层地热能开发利用方案,定量评价增大利用温差和减小夏季灌采比对热贯通和深层地下淡水咸化的控制效应。结果表明:增大利用温差和减小夏季灌采比能有效缓解热贯通和深层淡水咸化的发展趋势,增大利用温差对深层地下淡水咸化的控制效应更为显著,减小夏季灌采比对热贯通的控制效应更为显著。

关键词： 地下水源热泵   云模型   水资源管理区划   安阳市  

摘要： 为从赋存条件和水资源管理两个层面进行地下水源热泵系统建设的区划研究,实施技术与管理的结合,通过分析水文地质条件、水动力条件和水化学条件,结合水资源管理分区,建立了安阳市地下水源热泵系统水资源管理区划评价体系。采用云模型改进的层次分析法进行了一级评价,在此基础上结合水资源管理分区利用GIS空间分析功能完成二级评价,将研究区地下水源热泵系统划分了3个等级。结果表明:研究区范围内地下水源热泵系统适宜发展区面积为117.45 km2,主要分布在安阳河冲洪积扇扇体中心强富水区,部分分布在扇缘的外围区域;限制发展区面积为459.26 km2,分布在扇缘的西南和北部丘陵弱富水区以及扇体中心的地下水降落漏斗区;禁止发展区面积为24.02 km2,分布在水源地和南水北调保护区以及铁路和高速公路两旁,在研究区交错分布。在适宜性分区的基础上结合水资源管理的区划研究更全面合理,可为地下水源热泵系统科学布局及合理的开发利用提供参考。

关键词： 地下水源热泵   抽灌系统   热贯通   优化布置   数值模拟  

摘要： 为提高地下水源热泵效率,避免在回灌与抽水过程中发生热贯通,研究地下水源热泵系统井群的合理布置形式。基于COMSOL Multiphysics软件,建立地下水源热泵抽灌系统的三维模型,模拟抽灌井在对齐型、交错型和叉排型3种不同布置形式以及不同井距下抽水井水温变化情况,根据热贯通发生的程度,选取井群布置的最优形式。结果表明:无论井距如何变化,中心井温度变化始终最大且最明显,即所受热贯通影响最大;在相同的布置形式下,抽灌井之间距离越大,抽水井水温变化幅度越小,发生热贯通的程度越轻;在系统运行期间抽灌井采用对齐型布置方式时,热贯通发生时间最晚且影响最小,且井距取100 m时在2种工况下4号井水温变化均为0.03 K,5号井分别升高0.07 K和降低0.06 K,6号井则分别升高0.02 K和降低0.03 K,故采用100 m为宜。