Numerical simulation of seepage flow field in groundwater source heat pump system and its influence on temperature field

Energy utilization in the aquifers is a new technology closely related to development of heat pump technique. It is significant for the flow distribution to be predicted in the aquifer surrounding the Groundwater Source Heat Pump System （GSHPS）. The authors presented a new concept of ＂flow transfixion＂ by analyzing general features of aquifers, and then discussed interaction of the flow transfixion with the beat transfixion, which has practical significance to projects. A numerical model of groundwater flow was established based on the basic tenets of water-heat transferring in the aquifer. On this basis the flow field and the temperature field of GSHPS for a site in Shenyang City were numerically simulated. The basis of the flow transfixion was obtained; it was discussed for the influence of the flow transfixion on the heat transfixion. To a certain extent, the study offers some reference for the projects＇ design of GSHP in the studied area.

废弃矿井水源热泵抽灌井布置及参数敏感度的研究

废弃矿井中储存着丰富的地热资源。文章以采空区矿井水为研究对象,为保证采暖季抽水温度的稳定,对废弃矿井水源热泵抽灌井布置及参数敏感度进行了研究。首先,基于达西定律及多孔介质传热理论,建立了废弃矿井水源热泵抽灌井的多物理场耦合的二维数值计算模型;其次,基于理论模型进行计算分析,模拟了14种不同抽灌井布置形式下的抽水温度变化,并根据“热贯通”发生程度,选取最为合理的抽灌井布置方案;最后,根据选取的抽灌井布置方案,研究了不同回灌温度、抽灌流量、井间距、水力坡度、含水层厚度、孔隙率等因素对抽水温度的影响。分析结果表明:三角4的布井方式在系统运行末期抽水温度仅下降了0.148 K,“热贯通”发生程度最小,布井方式最合理;含水层“热贯通”的现象对抽灌流量、井间距、水力坡度、含水层厚度等参数变化较为敏感,而对回灌温度及孔隙率的敏感度较小。

含水层厚度对地下水源热泵抽灌井设计间距的影响

通过建立地下含水层水—热耦合数学模型,模拟分析不同含水层厚度下抽水井的温度变化,结合温度变化曲线,讨论了地下水源热泵抽灌井设计间距问题。结果表明,保持抽灌井间距不变,含水层厚度的增加可以减弱热贯通的影响;同一含水层厚度,可能在某一范围内改变抽灌井间距,热贯通程度变化不大;随着含水层厚度的增加,抽灌井设计间距总体呈现递减的趋势。

水源热泵系统中地下水流贯通及其对温度场的影响

利用含水层储能的一般特点,提出流贯通;分析流贯通和热贯通的相互作用、相互影响及对工程实际的意义;并基于地下水水热运移的基本原理,建立地下水流动和热量输运的耦合数值模型。在此基础上对沈阳某场地水源热泵工程的运行进行流场及温度场的数值模拟分析,给出产生流贯通的依据,即利用水力坡度定量的判断流贯通发生与否;当水力坡度变化非常小、可忽略不计时,认为含水层出现流贯通;进而研究抽、灌量对流贯通的影响,发现抽、灌量越大,则出现流贯通时间越短;而大量的抽、灌量更容易发生流贯通,进而会引起热贯通的发生。在实际工程中可降低抽、灌水量,在条件许可的情况下可提高抽、灌井的间距,并可在抽、灌井运行一个周期后调整抽灌井位置,以减少热贯通的发生。

非饱和多孔介质回灌过程中热弥散度特性试验

目的为了解非饱和多孔介质热弥散度变化特性,掌握不同多孔介质的热弥散度,为地下水源热泵工程的模拟预测的参数选择提供科学依据,解决凭经验进行水源热泵工程布井的不足.方法通过建立水平土柱模型,应用一维非饱和砂土热量运移定解方程,在室内测取不同回灌温度条件下不同多孔介质的热弥散度.结果相同温度回灌条件下,中砂热弥散度最大,粗砂次之,细砂最小;同种多孔介质回灌条件下,热弥散度随回灌水温升高呈现上升趋势.结论对热泵工程进行模拟预测时,应充分考虑热弥散度变化的影响,根据不同地质的实测数据对经验热弥散度值加以修正,使得模拟预测更加准确,以免造成抽灌井间的"热贯通",影响地下水环境.

数值模拟在水源热泵工程布井设计中的应用

目的建立地下水水流和水温模型,预测水位和水温的变化趋势,进而提出合理布井方案.方法采用有限单元法建立研究区地下水流与温度的耦合数值模型,预测不同布井方案下的地下水位与温度的动态变化,模拟软件选用FEFLOW 5.0.通过对不同布井方案下水位、水温的比较分析,用户间相互影响的定量分析,解决了凭经验进行水源热泵工程布井的不足.结果FEFLOW软件准确预测了地下水动态变化,以图形输出方式定量表现出水源热泵工程运行后地下水位和水温变化趋势及其影响范围,利用数值模拟方法能够准确预测地下水水位、温度的变化范围,避免了用户间"热贯通",用户间不必要的纠纷及对地下水的污染影响.结论准确预测了地下水动态变化,不仅能为水源热泵工程设计提供依据,而且为水行政主管部门审批提供技术支持.

河北水勘院正定基地地下水源热泵系统热平衡问题分析及对策

为了准确模拟预测河北水勘院正定基地地下水源热泵系统运行期间的地下水渗流场与温度场的变化规律,避免未来地下水源热泵系统运行期间出现的冷热贯通现象与冷热堆积问题,通过总结分析地下水源热泵的应用与模拟研究现状,针对浅层地温能开发与地下水环境模拟中存在的问题,建立了相应的地下水渗流与热量运移三维耦合数值模型,并结合未来地下水源热泵系统的运行工况,预测分析了不同条件下未来地下水源热泵系统的热平衡发展趋势.结果表明:该示范工程按设计方案运行,抽、灌井之间存在热贯通现象及冷堆积问题;提出了当浅层地温能开发存在冷堆积时,在不改变冷热负荷和抽灌井间距时,可采用运行一周期后互换抽水井与回灌井的方案,以有效缓解地下水源热泵工程热贯通现象与冷堆积问题.

地下水源热泵运行模式对地温场效能影响研究

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。

抽灌井布局及天然水力坡度对热贯通的影响

通过建立地下含水层水-热耦合数学模型,对不同抽灌井间距、回灌井间距以及天然水力坡度条件下的抽水井温度变化进行模拟和分析。结果表明,抽灌井间距小于120 m时,抽灌井间距对热贯通的影响程度相差很大;回灌井间距对热贯通的影响相对较弱;存在天然水力坡度时,正确的布井方式更加有利于抽水井水温的稳定。

单井循环地下换热系统健康运行的研究

单井循环地下换热系统的热源井现阶段共有三种:循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井。数值计算表明,渗透系数是传统回灌井和抽灌同井回灌难易程度的决定因素,填砾抽灌同井显著降低了灌压,循环单井没有回灌困难的问题。单井循环地下换热系统运行时会产生热贯通问题,尤其是填砾抽灌同井和循环单井。抽灌同井运行时的季节性储能很大程度地减轻了对含水层作为热源(汇)的依赖,而让其作为一种蓄热的载体。回灌问题、热贯通问题和季节性储能问题是单井循环地下换热系统能否长期健康稳定运行的关键影响因素。

循环单井地下换热系统及其应用

介绍了循环单井地下换热系统的形式与运行,以及循环单井系统在国外的应用现状。分析了循环单井中井水与地下水的流动形式和换热。总结了循环单井系统的特点与优势,由于井内的水与地下含水层之间的原水交换其承担负荷能力显著增加,从而减少了钻井长度,减少了投资成本。以及循环单井系统存在的一些问题,其中最大的问题即热贯通。

地域和抽灌水温差对地下水源热泵系统的影响

建立地下水流与温度的耦合模型,模拟分析不同地区及不同抽灌水温差的布井模式下地下水温的变化趋势和热贯通发生的基本特性。结果表明,抽灌水温差不同时热贯通程度不同,地下水初始温度对热贯通没有显著影响。

水源热泵系统含水层中渗流场模拟及其对温度场的影响分析

地下含水层能量利用已经成为一项新的和热泵技术发展紧密联系的技术,准确预测水源热泵工程周围含水层中的流场分布对能量的有效利用意义重大。通过分析含水层储能的一般特点,提出流贯通,分析流贯通和热贯通的相互作用、相互影响及对工程实际的意义,并基于地下水水热运移的基本原理,建立地下水流动数值模型,在此基础上对沈阳某场地水源热泵工程的运行进行流场及温度场的数值模拟分析,给出产生流贯通的依据,进而研究流贯通对热贯通的影响,并为该地区的地下水源热泵工程设计提供一定的参考。

地下水源热泵含水层水头分布及温度场的模拟分析

为使地下含水层能量更好为实际工程所用,进一步保护地下水空间,通过对地下水源热泵系统地下含水层中渗流场的分析,建立一抽一灌(对井抽灌)系统和一抽两灌系统地下水渗流数值模型,应用数值模拟方法对地下含水层渗流场水头分布及温度场进行模拟分析。结果表明:在相同的运行周期内,一抽两灌系统温度场的影响半径相对较小,并且抽灌井周围的等水头线分布较疏,水头变化缓慢,更利于地下水的回灌。尽量使回水井远离取水井,可以有效避免热贯通现象的发生。

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。

基于监测数据的地下水源热泵系统运行策略优化

针对已投入运行的地下水源热泵工程,为了缓解抽、灌井区热贯通导致的地热能利用效率衰减问题,以上海市某地下水源热泵系统实际工程为例,采用FEFLOW 7.0建立三维热渗耦合数值模型,并利用监测数据对模型进行了验证。利用验证后的模型预测了该工程未来10 a水源井抽水温度和热量运移变化情况,定量表现了抽、灌井区热贯通程度,进而对系统运行策略进行调整。通过模拟计算比较了不同运行策略条件下水源井抽水温度变化趋势和热量运移范围,经综合考虑得到相对有利于系统长期运行的最优策略,为地下水源热泵工程后期运行管理提供依据。

Evaluation of the performance of a centralized ground-water heat pump system in cold climate region

The aim of this study is to performance of a centralized open-loop evaluate the ground-water heat pump （GWHP） system for climate conditioning in Beijing with a cold climate in China. Thus, a long-time test was conducted on a running GWHP system for the heating season from December 2011 to March 2012. The analysis of the testing data indicates that the average heat-pump coefficient of performance （COP） and the COP of the system （COPs） are 4.27 and 2.59. The low value and large fluctuation in the range of COP are found to be caused by the heat transfixion in the aquifer and the bypass in the circulation loop. Therefore, some suggestions are proposed to improve the performance for GWHPs in the cold climate region in China.