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。

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(D=1.026 mm,D=1.343 mm和D=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： 盛京医院   管廊工程   地下水源热泵   地下水位   地下水温   优化调控  

摘要： 地下水源热泵虽然相对传统能源具有其自身独特的优点,但地下水环境的变化制约着地下水源热泵抽、回水井的运行效率。近年来,随着城市地下管廊工程的大规模建设,改变了区域地下水环境,导致区域原有地下水源热泵抽、回灌井出水量无法达到设计要求。因此探索管廊工程对区域地下水源热泵的影响规律,对于确保地下水源热泵的正常运行具有重要作用。本文以沈阳市城市地下综合管廊(南运河段)工程涉及到的盛京医院病房楼地下水源热泵工程为例,基于管廊工程对盛京医院地下水源热泵的影响规律分析,通过传统计算方法和建立数学模型对提出的盛京医院地下水源热泵的调控方案进行评价与优化,为在管廊工程影响下盛京医院地下水源热泵工程的规划和改建提供了理论和技术依据。具体如下:(1)研究区水文地质条件分析:含水层厚度33～40m;地下水补给主要有地下水侧向径流补给和大气降水补给;水力坡度在0.001～0.002;地下水位埋深7～9m;地下水位标高35～36m;地下水温11～12℃,表明研究区处于地下水源热泵较适宜区。(2)管廊工程对水源热泵影响的室内模拟试验:结合本次的工程实际通过室内砂箱试验模拟了不同管廊形状与水流方向呈不同夹角时对回灌井回灌水温和水位的影响。根据管廊工程对回灌水温室内试验规律,利用传热学与流体力学计算出管廊工程对地下水温的影响范围为20m。根据管廊工程对回灌水位室内试验规律,利用达西定律将管廊工程影响下的回灌渗透系数等效化可得K=0.227K。(3)针对盛京医院水源热泵工程可靠性分析:通过传统方法计算水源热泵单井出水量、回灌量的大小和建立数学模型的方法定量计算水源热泵系统的可靠性大小。具体如下:通过对抽水井、回灌井的用水量计算,得到水源热泵抽水量最大出水量为264和回灌井单井最大的回灌量为35.5。根据管廊工程对抽、回灌井的不同影响,分别计算在管廊工程影响下的单井抽水量为155和回灌量为28.44。通过建立基于马尔可夫模型的水源热泵出水量可靠性分析,定量计算水源热泵系统在管廊工程影响下抽、回灌井的设计出水量综合可靠性的大小为0.6258,表明盛京医院水源热泵系统出水可靠性相对较低。为了确保水源热泵的正常运行进而提出新建3眼抽水井和7眼回灌井。综合项目区域的水文地质条件、可布井范围和水源热泵抽、回灌井出水量的分析与计算提出相应的调控方案。通过建立马尔可夫模型分别求出调控方案中整个水源热泵系统的可靠性大小为1.0161(不考虑备用井),符合水源热泵出水可靠性100%的设计要求。考虑水源热泵的备用井时,基于马尔可夫模型的水源热泵系统的可靠性大小为1.1063,符合工程设计中对水源热泵的富余量10%～20%要求。从理论方面证明了调控方案的合理性和可行性。(4)盛京医院水源热泵不同调控方案的数值模拟与预测:结果表明,模拟期间内两种调控方案中最高水位为39.9m,而项目模拟区域地面高程为39.65-40.09m之间,没有超出地面高程;在水温模拟中,抽水井周边温度均在10～12℃,回灌井最低温度为5.5℃以上,最高温度为17℃,均大于5℃且小于19℃。因此,两种方案从技术角度均符合设计要求。(5)盛京医院水源热泵工程调控方案的优化选择。根据对盛京医院水源热泵两种调控方案中调控因素的分析结合工程实际,确定施工成本、技术条件和管理成本作为调控方案选择的评价指标。根据选取的评价指标通过建立熵权-模糊综合评价矩阵,根据计算的评价子集结果,通过最大隶属度原则,确定方案二为盛京医院水源热泵调控方案中的最优方案。综上所述,本文研究了管廊工程对盛京医院水源热泵抽、回灌井的影响。为达到管廊工程影响下盛京医院水源热泵的设计要求,通过分析研究区域水文地质条件、室内试验规律、抽、回灌井出水量可靠性分析提出两种水源热泵的调控方案,在满足技术条件的基础上综合各项因素确定最优方案。为解决实际工程影响下的水源热泵建设问题提供了研究思路和理论依据。

关键词： 地下水源热泵   回灌堵塞   井壁材质   高铁锰地下水   堵塞模型  

摘要： 地源热泵作为缓解传统能源压力的新技术,得到了大力的推广,但在实际工程中存在着回灌堵塞这一重要难题。本文通过对地下水源热泵回灌堵塞规律的研究,探讨了地下水源热泵回灌堵塞规律,为今后地下水源热泵回灌堵塞的防治方法提供理论基础,对解决地下水源热泵回灌堵塞问题有重要意义。本研究在滑翔医院地下水源热泵实地考察的基础上,模拟室内地下水源热泵回灌平台,通过设计对比实验,探究不同井壁材质和不同铁、锰离子浓度对地下水源热泵回灌堵塞的影响规律。本文结合微生物营养物质迁移降解模型、微生物生长与衰亡模型、孔隙率变化模型和渗透系数变化模型,建立符合本实验条件的生物堵塞预测数学模型,预测地下水源热泵回灌堵塞的发展趋势,分析了地下水源热泵堵塞情况。主要研究成果如下:(1)通过设置5种不同材质浸泡对比实验结果分析可知,熟铁相对其他材质更容易被腐蚀,有利于微生物附着在铁上,从而便于微生物的生长繁殖,更有利于后续实验的展开。(2)根据不同铁离子浓度对地下水源热泵回灌堵塞规律的研究结果分析可知,随着实验时间的增加,各砂箱水通量和渗透系数都逐渐下降,20mg/L浓度铁离子的水通量和渗透系数下降百分比最大,同时在相同浓度下,18cm处的出水口的水通量和渗透系数下降百分比最大。通过平板计数方法测定砂箱内不同深度的微生物生长数量可知,12-18cm处的微生物数量较多,由于微生物在生长过程中会产生代谢产物和气体等物质,同时随着微生物量的不断增加也会形成生物膜,堵塞多孔介质孔隙,形成生物堵塞。因此微生物数量的增加,会加快生物堵塞的速度。(3)根据不同锰离子浓度对地下水源热泵回灌堵塞规律的研究结果分析可知,随着实验时间的增加,各砂箱水通量和渗透系数都逐渐下降,5mg/L浓度锰离子的水通量和渗透系数下降百分比最大,同时在相同浓度下,18cm处的出水口的水通量和渗透系数下降百分比最大。通过平板计数方法测定砂箱内不同深度的微生物生长数量可知,12-18cm处的微生物数量较多,同时锰离子浓度越高,微生物数量越少,可以说明高浓度的锰对微生物具有一定的毒害作用,会抑制微生物的生长繁殖。(4)基于铁、锰离子浓度对地下水源热泵生物回灌堵塞规律的研究实验数据,根据微生物生长与衰亡、营养物质降解、孔隙率-渗透系数关系理论,根据砂箱渗流实验的水动力条件和定解条件,建立一维砂箱回灌生物堵塞预测模型,通过COMSOLMultiphysics软件数值模拟,结果表明实测值与模拟值基本吻合,因此该组合模型基本可以模拟本实验渗透性变化,从而为预测滑翔医院地区地下水源热泵回灌堵塞提供了一定的理论依据。

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   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： 土力学   地下水源热泵   悬浮颗粒   饱和砂层   迁移   沉积   温度效应  

摘要： 为探索温度对饱和砂层中悬浮颗粒迁移-沉积过程的影响,采用自主研发的砂层迁移-沉积模拟试验系统,分别进行不同温度下颗粒迁移-沉积特性试验和温度变化条件下颗粒迁移-沉积特性试验。试验针对4种粒径组合进行4种温度(5℃,15℃,25℃,35℃)条件下的相关试验。结果表明,在渗流速度保持不变时,温度越高,相对浓度峰值越低,而峰值时孔隙体积比值越高;而在温度相同时,渗流速度越高,相对浓度峰值越低,而峰值时孔隙体积比值越高。温度的变化能够显著影响含水砂层中悬浮颗粒的迁移过程,在升温时,与对照组相比,相对浓度值及悬浮颗粒浓度均有所下降,且变温时间越早,相对浓度值及悬浮颗粒浓度下降幅度越大。温度变化时穿透曲线存在着滞后现象,且小颗粒对温度变化更为敏感。温度变化可以通过改变流体黏性、吸附作用、颗粒动能及表面电势等影响悬浮颗粒在含水砂层中的运移过程,且主控因素随试验条件的变化而改变。

关键词： 热能   泵   节能   水蓄能   地下水源热泵   降温系统   自然光植物工厂  

摘要： 针对植物工厂夏季高温导致植物生长困难及电空调降温运行成本高的问题,以上海崇明大型自然光植物工厂为例,研究地下水源热泵水蓄能型降温系统夏季节能运行特性。为达到节能经济运行目的,地源热泵水蓄能型降温系统夏季运行模式采取冷水井直供、热泵机组蓄冷模式、蓄冷水箱供冷模式,而以冷水井直供模式为主,同时基于上海市分时电价政策,地源热泵水蓄能型降温系统采用地源热泵间歇运行摸式,即地源热泵在电价低谷时段开启,为蓄冷水箱蓄积冷量,为白天用电高峰时采用蓄冷水箱供冷模式作冷量储备。选取代表夏季高温时节特点的典型周试验数据对系统进行分析,地源热泵运行时平均能效比(coefficient of performance, COP)为4.53,整个供能系统COP为3.80。以代表夏季高温时节特点的典型日系统运行为例,水蓄能型地源热泵系统相比于不采用蓄能装置的地源热泵系统可节约运行费用16.98%,相比空气源热泵、直燃式溴化锂吸收式水冷机组可分别节能31.61%、79.10%。实践表明,地下水源热泵水蓄能型降温系统在工作过程中性能稳定,节能环保,具有一定实用价值。

关键词： 热泵   地下水   抽水   回灌  

摘要： 地下水源热泵是一种新型的节能环保空调技术,在城市浅层地温能开发利用中发挥着巨大作用。福州市地下水资源丰富,地下水源热泵系统使用前景广泛。本文通过对福州市水文地质条件的分析,初步确定了福州盆地平原区为地下水源热泵应用的适宜区及较适宜区,通过在这些地区开展的现场抽水、回灌试验,确定福州市不同岩性含水层的回灌能力、抽灌井数量比例及井间距的设计参数,为福州市浅层地温能的开发、水源热泵技术的合理应用提供科学依据。