热渗耦合的地下水源热泵抽灌井传热数值模拟

基于达西定律,分析了饱和区土壤中地下水源热泵抽灌井传热机制,构建了热渗耦合共同作用下的数学模型,研究了有无地下水渗流及渗流速度对抽灌井周围温度场变化的影响,使用COMSOL Multiphysics软件对建立的模型进行了分析模拟.实例结果表明,该模型具有较好的适用性,为系统的优化设计与参数合理匹配提供了理论支持.     

基于表皮效应的单井循环地下换热系统地下水渗流方程的统一分析

单井循环地下换热系统有循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井3种形式。由于上述3种热源井结构不同,导致地下水渗流数学模型繁多、复杂,并且缺乏统一的理论公式,难以应用于实际工程。为解决上述问题,文章利用表皮效应对渗透系数进行统一,获得3种热源井井壁处渗透系数转换关系式。文章以填砾抽灌同井为例,建立地下水渗流方程和边界条件,推导降深方程,并利用渗透系数转换关系式得到其它热源井的降深方程。研究结果表明:填砾抽灌同井地下水渗流方程的解析解与数值解之间的平均误差为2.0%;填砾抽灌同井地下水渗流方程可以解决填砾抽灌同井影响下的稳态、无越流承压含水层的地下水流动问题,并为实际工程应用提供理论基础。     

地下水源热泵不同布井模式下地下温度场变化模拟分析

针对地下水源热泵抽水井与回灌井布局模式对地下温度场的影响,通过建立地下水流与温度的耦合模型,从抽灌井布置间距及抽灌井数量角度模拟分析了不同布井模式下地下水温度的变化趋势和热贯通发生的基本特性。结果表明,同类井间距对热贯通影响不显著,抽灌井间距对抽水温度及热贯通时间影响较大;从热贯通发生时间来看,抽灌井数量越多热贯通发生的时间越延迟,但从温度偏离度角度分析,系统长期运行后抽灌井数量对抽水温度偏离度影响不显著。     

注采井间裂缝对地热回灌的影响研究

天然裂缝和压裂诱导裂缝是地热储层主要的储集空间和流体渗流通道,是影响含裂缝热储资源可持续利用的关键因素。文章考虑渗流对地热储层传热过程的影响,建立了含裂缝地热储层的渗流-传热弱耦合模型,并结合"一采一灌"的对井注采模式,分析了裂缝的倾角、长度、宽度等特征参数对地热储层渗流场、温度场的影响。分析结果表明:裂缝的倾角、长度、宽度等特征参数对生产井热突破现象影响较大,裂缝的倾角越小,长度、宽度越大,生产井越容易产生热突破,且当裂缝处于注、采井连线上时,热突破的速度最快;当裂缝的各特征参数一定时,通过优化注、采井与裂缝之间的方位关系,可以延缓生产井的热突破进程。     

常温注水井对含水层热贯通的影响机理分析

为探究常温注水井对水源热泵热贯通现象的影响,利用FlowHeat1.0软件模拟了3组情景下含水层渗流场、温度场时空分布特征,并分析了常温注水井对含水层热贯通的影响机理和抽水井水温变化规律。结果表明,常温注水井通过减小回灌井、常温注水井之间的水力坡度和延长地下水渗透途径的方式达到缓解热贯通的效果;回灌井、常温注水井流量比相同时,常温注水井在抽灌井连线的位置对含水层热贯通的影响小;抽灌量不变时,常温注水井与回灌井的流量比越大,常温注水井缓解热贯通的效果越明显;在有利地下水回灌的水源热泵系统中,布设常温注水井能有效地降低含水层热贯通程度。     

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.     

地下水源热泵采能区水热耦合模型研究

为合理安排地下水源热泵系统的抽灌井布局,利用地下水数值模拟方法,通过Visual MODFLOW软件中的SEAWATV4热运移模块,概化地下水温度场运移过程,建立了符合研究区域水文地质特征的水热耦合数值模型,采用不同的变量对合理井距离进行模拟研究,模拟得出在水温变幅不超过2 ℃的前提下,抽灌量300、800、1 500、2 500 m3/d的合理井距分别为26.5、53.0、80.0、106.0 m,可知温度场的变化范围受井距和抽灌量影响明显并呈一定规律性,应根据水源热泵系统不同的抽灌量要求确定合理的抽灌井距离。     

地下承压含水层水-热运移特性的模拟研究

依据地下水文地质的相关概念和渗流力学的理论基础,建立了地下含水层热量运移的数学模型.以微山地区一工程为背景,对1抽2灌井群的热量分布规律进行了求解,得出了井群的水流速度场、水头压力场以及温度场分布.经计算分析得出:①在抽灌状态下,水压的变化较温度场快,影响范围也较大.相对应的温度影响半径相对较小,变化速度较慢且不明显;②温度场的影响半径主要集中在井周围约30m范围内,其温度的变化梯度为0.17℃/m.而超出此范围的区域,影响的相应时间较长,幅度不大;③夏季抽灌温差采用:10℃大温差运行,有利于避免或减小热贯通现象,且可减少抽灌水量.     

T2Well单井地下水源热泵水-热耦合数值模拟研究

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m2面积建筑的供暖需求,约1.6万m2面积建筑制冷需求。     

地下水源热泵对井抽灌系统回灌能力研究

以西安市某水源热泵系统为例,建立对井抽灌渗流场模型,反演计算抽水过程与回灌过程的渗透系数,模拟分析含水层参数与井参数对热泵系统回灌能力的影响。结果表明:渗透系数是影响回灌能力的重要因素;相同含水层厚度条件下,应优先选择完整井地下水源热泵系统;减小抽灌井距对提高井的回灌能力效果不明显,但会提高发生热贯通的可能性;增大井径可减小抽水和回灌的压力,但会增加井的投资。回扬可显著提高回灌能力,越是回灌困难的系统,回扬效果越明显。     

The numerical simulation and wellbore modelling of steam injection and stored heat recovery from light oil reservoir

ABSTRACT

Steam injection and thermal recovery of oil from the reservoir are increasing day by day. However, the recovery of the heat remained stored in the steam-flooded oil reservoir is nor in practice neither researched previously. A novel concept of steam injection and energy recovery from a light oil reservoir is presented in this paper. Reservoir numerical model of an actual oil field was generated and simulated with steam injection. Different parameters of thermal properties of geologic formations were discussed and adopted as per actual geology of the study area for more realistic simulation of heat storage, dissipation, and losses. After the optimum oil recovery, water was circulated through the same injection well into the reservoir to extract the energy in the form of heat, stored during the steam injection phase. The effects of different completion schemes of injection well were also simulated, discussed and pointed out for optimum oil recovery. Oil recovery factor is the most important parameter from both research and field development point of views. The comparative analysis was also carried out with the oil production without steam injection and found that steam flooding increased oil recovery factor up to more than 15% by decreasing the production time period up to 40% as compared to without steam injection oil production. The transmission of heat through conduction and convection mechanisms in the porous media, and through advective, dispersive and diffusive processes in the fluid was modeled. To fully investigate the feasibility of the concept presented in this paper, the production wellbore modeling was also carried out and temperature profile of recovered heat energy at the wellhead was obtained by acknowledging the thermal losses and found to be very useful for any direct and indirect utilization of heat throughout the energy recovery period of the reservoir.     

地热井在不同注水和出水条件下热采效率优化研究

基于地热开采概念模型,采用3DEC程序计算分析不同注水和出水的三口地热井对岩体温度场、地热井温度场,及地热井出口水温影响的规律。结果表明：1）中部为注水井或生产井,边缘为生产井或注水井,模型达到稳态时生产井出口水温最低,且几乎相同;2）由于邻近两口生产井抽取水流过程中通过之间的岩体发生热量叠加效应,使其出口水温大幅提升,此时生产井出口水温最高, 同时模型达到稳态所需的时间最长;3）当两口邻近注水井,生产井水流速增大1倍时,其水流传热量增多致其出口水温有所提升,同时模型达到稳态所需的时间最短;4）根据生产井出口水温由高到低,模型优化顺序为两口邻近生产井>两口邻近注水井>两口间隔生产井=两口间隔注水井。     

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。     

Multi-injection rate thermal response test in groundwater filled borehole heat exchanger

During a thermal response test (TRT) or during operation of a borehole heat exchanger (BHE) system, a temperature gradient in and around the borehole is achieved. This causes convective flow in the groundwater due to density differences. In groundwater filled BHE the convective heat flow influences the heat transport in the borehole system. The size of the influence depends on the injection rate used, which changes during the year for normal BHE systems. Multi-injection rate TRT (MIR TRT) may be used as a method to detect the convective heat influence and to examine the effect on the BHE thermal transport parameters. It was shown that MIR TRT constitutes a valuable method to detect fractured bedrock and to examine the effect of different heat injection rates. For boreholes located in solid bedrock only the borehole thermal resistance was influenced by the convective flow. An increase in heat injection rate resulted in a decrease in resistance. It was shown that the length of the collector did not affect the result. For the fractured bedrock the effective bedrock conductivity was also affected, an increase in heat injection rate resulted in a higher effective bedrock thermal conductivity.     

抽-灌井水量对耦合式地埋管井群传热性能的影响

基于多孔介质传热、传质理论以及有限长线热源模型,建立耦合式地埋管换热器井群热-渗数学模型,以原位热响应试验与现场抽水试验为验证依据。针对渤海盆地含水层,通过数值模拟探究不同抽-灌水量对地埋管井群传热性能的影响。研究表明:随着抽-灌水量的增大,地埋管井群换热能效系数增大,井群下游区域热影响范围扩大。在制冷与供热工况下,井孔E7所在细砂层佩克莱特数(Pe)与单位埋深换热变换量Δq关系曲线均呈高斯函数分布。基于所建耦合式地埋管井群物理模型,抽-灌水量推荐范围为400～600 m3/d。     

土壤蓄热特性与模拟研究

在能量平衡和导热方程基础上,建立埋地换热器周围土壤内蓄热、释热过程的准三维非稳态模型,并通过数值求解得到计算结果;针对单埋管蓄热模型,得到土壤温度随运行时间、径向距离的变化情况,针对管群跨季节蓄热、取热模型,得到一个周期内不同运行工况结束时的土壤温度场分布;通过模拟计算对不同土壤类型的蓄热特性进行研究,并比较了3种典型土壤的蓄热能力大小.     

地下水流动对地下管群换热器传热的影响分析

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的影响，该文基于热渗耦合作用下的数学模型，采用整体求解方法求得冬、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数值解，从而分析了地下水渗流对其传热过程的影响，结果表明地下水运动对原温度场的影响明显，而且越高的地下水流速影响越大。     

Open-loop groundwater heat pumps development for large buildings: A case study

A study of the feasibility of providing the heating and cooling needs of the new, large commercial building near Turin, Italy, by means of an open-loop indirect groundwater heat pump (GWHP) system is described. A finite element subsurface flow and transport simulator (FEFLOW) was used to investigate possible configurations of extraction and injection wells for five different scenarios. Modelling results confirmed the hydrogeological capacity of the site to provide the necessary amount of groundwater and associated energy with limited environmental impact. Injection of warmer (or cooler) water in the aquifer creates a thermal plume whose dimensions and geometry depend on the properties of the subsurface formations, particularly their thermal dispersivity values. The study suggests that there are several possible well configurations that could support the GWHP system without adversely affecting the aquifer.     

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。