多井同期抽灌储能模式咸水层热运移特性研究

基于含水层储能水、热运移的基本理论与控制方程,针对地下咸水层储能过程中渗流溶液密度及粘滞性系数变化显著的特点,对现有的地下含水层储能数学模型进行修正、完善,建立地下咸水层耦合储能模型,探索不同储能模式下含水层温度场变化规律及阶段性热量运移特征。研究结果得到,采用地下原水与去离子水回灌时,在储热运行期与间歇停运期粗粉砂层中热作用半径变化率分别为0.272m/d、0.008m/d,0.348 m/d、-0.04 m/d。在储能阶段,伴随回灌溶液温度上升、盐度降低,地下水渗流速度上升,导致对流换热与热弥散效应增强；间歇阶段,则由于地下咸水与回灌溶液间盐度梯度增大,在分子扩散作用下回灌溶液温度场影响范围减弱。     

基于Fluent/Matlab的地下水流速对顺流模式热泵性能的影响分析

地下水源热泵系统在地下水顺流模式下,不同的地下水横流速度对热泵性能参数的影响不同:顺流水流速越小,系统发生热贯通时间越晚;流速越大,发生热贯通时间越早。地下水横流流速度越大,热泵机组的COP越大,系统能效比越大。随着地下水横流流速增大,垂直顺着水流方向上温度场变化区域逐渐减小,为了减少井群占地区域,顺流模式下同类井群间距可以适当减少。     

冷热负荷失衡条件下采能区地温场的模拟研究

以北京某地下水源热泵空调系统为例,利用地下水、热耦合数值模型技术,对冷、热负荷严重不平衡条件下地下水抽灌场地温度场的年内和年际变化进行了定量模拟预测研究,并对系统长期运行的可行性进行了论证.研究结果表明:抽水井和回灌井之间的距离相对较大,抽灌井之间的"热突破"程度较低;由于空凋系统的供暖负荷显著大于制冷负荷,抽灌区温度场将呈逐年下降趋势;抽灌场地是一个开放的系统,不断与外界发生能量交换.随着热泵空调系统的长期运行,抽灌区的温度下降速率越来越小,地温场渐趋稳定;由于热泵系统的年内冷、热负荷存在严重失衡,进而对热泵系统的运行效率将产生一定影响.     

回灌溶液温度对咸水层渗透性能的影响

作为清洁环保的供暖和制冷方式,季节性含水层储能与热泵技术相耦合,具有很好的经济效益和环境效益。然而,当咸水储层作为储能介质时,由于回灌溶液盐度和温度的变化会导致咸水层中黏土颗粒的释放、运移和沉积,引起孔隙通道的堵塞,造成储层的渗透性能降低。通过室内一维砂柱实验,在不同回灌水头下采用不同温度的地下原水回灌时,对溶液在含有蒙脱石矿物成分的砂样中的渗透系数变化进行了实验测试,分析了回灌温度对含水层渗透性能的影响。结果显示:随着回灌温度升高,溶液在砂样内的渗透系数减小;回灌溶液温度越高,渗透系数下降程度越大,当回灌水头为0.10 m时,回灌溶液温度由5升高至80℃,渗透系数下降了14.0%;在回灌温度一定的情况下,回灌水头差越大,渗透系数下降的幅度越大,当回灌水头为0.20和0.48 m时,溶液在砂样中的渗透系数分别下降了16.0%和18.2%。通过定量地分析流体在储层内的渗透系数与回灌温度的变化规律,得到了不同回灌水头下,溶液渗透系数与回灌温度间的函数关系。     

埋地换热器在渗流中的三维温度场模拟

为确定地下水渗流对埋地换热器的影响,建立了考虑地下水渗流的三维有限长线热源模型,综合虚拟热源法、移动热源法和格林函数法得出了有渗流时半无限大介质中有限长线热源产生的非稳态温度响应的表达式。通过matlab编程模拟温度场,分析了单个钻孔周围土壤过余温度场。模拟结果发现:地下水渗流引起水平面上温度场的变形,当量渗流速度在10-6量级时,能有效缓解热堆积;沿钻孔不同深度处的土壤过余温度不同,在钻孔中部过余温度达到最大。该文中的三维模型可用来研究不同地区、不同土壤分层构造和分层地下水流速等复杂问题,从而更准确地预测分析实际工程运行后的地下温度场变化,具有重要意义,为进一步研究考虑土壤分层和地下水分层流动下地埋管周围温度场奠定了基础。     

咸水层储能回灌溶液盐度变化对含水介质渗透性能的影响

基于现场勘测结果,结合实验室现有条件,建立定流量供液一维砂柱渗流系统。通过对砂柱试验系统进行回灌溶液盐度突、渐变试验,结合双电层理论揭示咸水层储能过程中含水介质渗透性能以及空间结构变化的主要原因。研究结果表明,地下咸水层储能过程中,回灌溶液盐度发生变化造成含水介质粘粒产生释放、迁移与聚沉现象,最终导致渗透性能在相对短时间内发生变化。回灌溶液盐度变化幅度与递减梯度越大,粘粒释放量也越大,渗透系数变化幅度增大。在回灌100%去离子水突变试验中,流出溶液粘粒浓度最高达8.6 g/L,相对渗透系数下降53.8%;渐变试验中,流出溶液粘粒浓度最高只有3.7 g/L,相对渗透系数只下降28%。     

地下含水层人工储能耦合模型分析计算

地下含水层储能是一项新的和热泵技术的发展紧密联系在一起的节能环保技术，是当今世界一些国家解决能源危机、扩大能源资源的有效方法之一。准确预测储能井周围温度场的分布状态对于有效回收储存能量意义重大，该状态受制于流动和传热的影响，是同一介质中流速和温度两种物理场的耦合结果。文章具体分析地下含水层储能的一般特点，以地下水流模型和热量输运模型为基础建立流动传热耦合数学模型。分析和计算结果表明，该耦合模型与单独考虑流动和传热的模型相比，数值分析的准确度明显提高，可为地下含水层储能工程设计提供可靠依据。     

浅层地温能开发与地下水环境影响模拟预测

为了合理地开发利用浅层地温能并保护地下水环境,针对地下水源热泵工程应用中出现的热贯通现象和地下水开采引起的地层变形问题,同时将地下水渗流场、温度场和地层变形量均作为评价内容,建立地下热交换系统模拟数值模型,计算并预测地下水渗流场与温度场的运移趋势及对地下水环境的影响。结合工程场地地下水源热泵系统实例,通过模拟计算,制定采用一抽两灌、100%回灌,并将春秋季及冬季加热卫生用水温度提高1.972倍或多加热1.972倍卫生用水的运行方案,预测结果表明该方案能够有效地避免热贯通问题并控制地层变形量,使地下水源热泵系统能够长期高效运行。研究思路与方法对浅层地温能的合理开发和地下水环境的保护有积极意义。     

渗流对地下埋管换热器传热管间距的影响

为确定地下水渗流对土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地下管群换热器管间距的影响,本文基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法模拟了冬、夏季工况下管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场,分析了地下水渗流对其传热过程的影响。结果表明在冬夏工况下管间距宜不同,地下水运动对温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。     

渗流对地下埋管换热器传热管问距的影响

为确定地下水渗流对土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地下管群换热器管间距的影响,本文基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法模拟了冬、夏季工况下管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场,分析了地下水渗流对其传热过程的影响.结果表明在冬夏工况下管间距宜不同,地下水运动对温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大.     

岩溶含水层地下水源热泵运行对地下水温度场的影响

为探究岩溶含水层水源热泵运行期间地下水温度场变化规律,以武汉市某场地地下水源热泵系统为例,基于有限元数值模拟软件FEFLOW,分别模拟了水源热泵空调制冷和制热期间抽水-回灌目的含水层中的渗流场和温度场,并对表征岩溶发育的重要参数储水系数和孔隙度进行敏感性分析。模拟结果表明,地下水源热泵运行仅影响回灌井附近地下水温度,不会对区域含水层温度产生影响;而表征岩溶发育的典型参数储水率和孔隙度,对模拟结果的影响不大。     

基于GMS的日喀则市区地下水数值模拟

根据日喀则市区地下水开采现状与含水系统结构特征,建立了二维地下水数值模型,利用研究区的观测井实测水位对模型进行校正和检验,并开展了模型参数的敏感性分析,发现渗透系数对模拟结果最为敏感。进一步将校准后的数值模型用于预测研究区未来逐步扩大化开采地下水条件下的地下水流场。结果表明,与现状条件相比,2030年研究区各地下水水源地的地下水位表现为下降趋势,其地下水位平均下降2.25m,尤其在北郊水厂抽水井附近最大降深超过7m。结果可为日喀则市东嘎水库兴建的必要性论证与备用水源地的建设提供依据。     

基于HydroGeoSphere的地下水数值模拟及参数灵敏度分析

针对地下水数值模拟中参数的不确定性直接影响模拟结果的准确性问题,在分析概化吉林省西部水文地质条件基础上,建立了水文地质概念模型和地下水数学模型,采用HydroGeoSphere软件求解模型,并选取含水层的渗透系数、给水度及贮水系数进行灵敏度分析。结果表明,含水层的给水度和贮水系数对模拟结果的影响较大,且获得了敏感性最大的参数分区,为该区地下水资源的合理开发利用和管理提供了科学依据。     

那陵格勒河冲洪积扇地下水允许开采量评价

鉴于那陵格勒河流域冲洪积扇前缘绿洲带生态环境系统对地下水的依赖性,建立了那陵格勒河冲洪积扇水文地质概念模型及地下水流运动的数值模拟模型,采用地下水位拟合、泉流量拟合、溢出带位置拟合及地下水均衡等分析了所建模型的合理性与可靠性,并依据含水层厚度分布、渗透系数、导水系数和单井单位降深涌水量圈定那陵格勒河重点开采区,推导出了生态环境退化程度和地下水开采量之间的关系公式,以生态指标和技术经济指标作为地下水开采的限制条件,通过数值法计算得到重点开采区地下水允许开采量。     

地源热泵系统工作井优化布设地下水热量运移模拟

以某拟建地下水源热泵系统为例,针对地缘热泵空调系统工作井优化布设问题,通过建立理想的对井抽-灌概念及数学模型,模拟了特定水流及热源条件下抽水、回灌井不同间距夏季运行期间地下水热量运移过程.数值模拟结果表明,抽、灌井不同井间距对热泵系统夏季运行期间地下水热量运移过程影响显著,该方法为优化布设抽、灌井的合理间距提供了实现热泵系统良好运行的理论依据.     

岩溶地区特殊地质条件对U型地埋管换热器的传热影响研究

以南方岩溶地区地下水丰富为前提,利用多含水层渗流提高地埋管的换热能力。该文利用有限元软件建立三维单U型换热孔数值模型,利用相关指标分析有无含水层时地源热泵系统的换热效果研究。结果表明：蓄能岩土体内有无含水层多种情况时,U型管出水口平均温度呈现N1>A1>A2>AF1>AF2;AF2、AF1、A2和A1情况下的平均延米换热量分别比N1高49.87%、44.06%、39.51%、31.93%;AF2、AF1、A2和A1情况下的平均COP分别比N1高4.35%、3.93%、3.52%、2.67%。在地下水丰富区域应合理布置换热孔,提升热泵系统运行效率,对实际工程项目可提供一定的指导。     

同井回灌地下水源热泵地下水渗流理论研究

建立了单一介质承压含水层中定流量同井回灌地下水源热泵抽水和回灌引发的地下水渗流数学模型；利用叠加原理推导了同井回灌地下水源热泵地下水渗流的理论解。通过分析理论解，从中得出稳态降深方程、稳态渗流速度方程、准稳态时间方程和理想井间距方程．定流量同井回灌地下水源热泵引发的地下水渗流能在很短的时间内达到稳态，并且理想井间距仪是含水层厚度和渗透系数比的函数。对于完整型的观测井不论位置如何，其平均降深均为0。     

Study on underground thermal characteristics by using digital national land information, and its application for energy utilization

This paper describes a method for evaluating characteristics of underground thermal properties and groundwater, whose evaluation is essential for designing systems of underground thermal energy utilization. First, the systems using underground thermal energy are classified into two categories: borehole system with indirect heat exchange, and aquifer system with direct use of underground water. These systems are also divided into thermal storage systems and heat source/sink systems. Second, the characteristics of the underground in Japan are analyzed by using a geographical information system (GIS) and hydrogeological information. Regulations on environmental protection, such as those relating to national parks for instance, and the distribution of thermal energy demand eliminate 77% of Japan from consideration for underground thermal energy utilization. Areas limited to borehole thermal energy utilization account for 17% of areas where underground thermal energy can be used, with the remaining 74% suitable for both boreholes and aquifers. Finally, we estimate the thickness of aquifer and groundwater velocity in Sapporo. We find that most parts of Sapporo are suitable for aquifer thermal energy storage (ATES).     

Aquifer thermal storage (ATES) for air-conditioning of a supermarket in Turkey

A heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) system with integrated aquifer thermal energy storage (ATES) was designed for a supermarket building in Mersin, a city near the Mediterranean coast in Turkey (36° 49′ N and 34° 36′ E). This is the first ATES application carried out in Turkey. The peak cooling and heating loads of the building are 195 and 74 kW, respectively. The general objective of the system is to use the groundwater from the aquifer to cool down the condenser of the HVAC system and at the same time storing this waste heat in the aquifer. Cooling with groundwater at around 18 °C instead of utilizing outside summer air at 30–35 °C decreases consumption of electrical energy significantly. In addition, stored heat can be recovered when it is needed in winter. The HVAC system with ATES started operation in August 2001 in cooling mode with an average coefficient of performance (COP) of 4.18, which is almost 60% higher than a conventional system.