水源热泵抽灌井布局及其运行过程中地下温度变化

本文以某水源热泵空调系统为例,建立了抽灌场地及周边地下水动力场与温度场的耦合数学模型,运用数值法求得系统运行过程中地下水的温度变化,分析了场地"热短路"效应和不同含水层中温度场的影响范围,以定量化的手段科学评价了场地抽灌井的布局及其可行性。分析结果表明,由于抽灌井之间的"热短路"程度较轻,场地的抽灌井布局可保证系统的高效运行。

地能利用过程抽灌井区热贯通及其定量分析

在地下水源热利用过程中,抽、灌井区热贯通导致地能利用的衰减已经成为逐步显现的工程问题.针对几种典型井群布置模式下的热贯通问题,利用模拟计算手段,比较了抽、灌井区的热贯通时间差异和程度.通过衡量井群区域温度的扩散传输范围和速率,定量分析判断能量利用过程中的热贯通效应,为控制热贯通提供衡量参数和控制依据.研究表明,在一定的抽、灌热流动条件下,井群布置方式决定着热贯通的影响范围和程度,以及对抽灌井区能量的有效利用程度有着明显影响.

细颗粒沉积物分布区地下水源热泵抽灌井施工工艺探讨

郑州市广泛分布着第四系松散堆积物,其特点是颗粒细,厚度大,含水介质主要为细颗粒的砂层。由于地下水富水性好,目前郑州市浅层地温能开发利用主要以地下水地源热泵工程为主。传统正循环泥浆钻探工艺施工的地温空调井,普遍存在洗井困难、涌水量和回灌量偏小的问题,在很大程度上限制了地下水地源热泵工程的推广使用。针对这一问题,本次采用泵吸反循环工艺施工地温空调井。施工过程及试验数据对比分析表明,在细颗粒松散沉积物分布区,采用泵吸反循环钻探工艺施工地温空调井,对提高施工进度、增大出水量和回灌量等方面具有显著优势,可以为类似地区地温空调井的施工提供借鉴。

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。

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。

应用水热运移数值模拟优化地下水源热泵系统抽灌井布局

合理布局抽水井和回灌井是地下水源热泵系统长期有效运行的关键因素。以郑州市郑东新区为例,利用HST3D软件建立水热运移数值模型,优化设计地下水源热泵系统抽灌水井布局,预测地下水源热泵系统长期运行后对含水层的水热影响。结果表明:介质比热容及渗透率分别对含水层温度及水位影响显著,是较敏感的参数。方案3(3个回灌井垂直天然流向分布且位于抽水井下游)为最佳布井方式。抽灌量900,1 200,1 500及2 000m3/d所对应的合理布井间距分别为50,65,70及75m。相应布井方案的水源热泵系统运行20a,对含水层温度场的影响仅限于200m×200m的范围,抽水井温度变化小于1℃。

抽灌同井季节性储能分析

为了探究抽灌同井季节性储能的可能性和潜力,采用经过现场试验验证过的数学模型对抽灌同井常年运行工况进行了数值模拟,并以抽回水温度为基础建立了季节性储能的定量分析模型.结果表明,由于热贯通的存在,前一个运行周期会对后面运行周期的抽水温度产生重大的影响,证实抽灌同井出现了明显的季节性储能现象.当负荷基本平衡时,逐年的抽水平均温度和储能比基本保持不变.对于北京地区夏冬运行模式,此时季节性储能提供了约73%的低位热量和24%的热汇.而当累积负荷不平衡时,热源井的抽水温度出现明显升高或降低,严重时使热源井失效.

热源井抽灌同井连续取/放热特性试验

针对抽灌同井连续运行特性的研究不足,利用单井循环地下换热系统砂箱试验台,以沈阳和上海2地采暖期和空调期的时间尺度为依据,分别开展了连续取热和连续放热2种运行模式下抽灌同井运行特性的试验研究。结果表明,抽灌同井在该试验条件下对取热工况更加敏感,取热比放热更为困难。在连续取热工况下,含水层在受到外界初次干扰的影响更为明显,第2个运行周期的累计取热量降幅为6个运行周期累计取热量降幅的57.1%。在热/冷负荷占优的地区,应根据建筑负荷采取辅助手段及时对含水层进行热量/冷量补给,保证热泵机组高效运行。

热-渗耦合的井抽灌系统对地温场的影响

针对水源热泵抽灌对地温场的影响,运用Comsol Multiphysics多物理场全耦合软件建立热-渗耦合的数值计算三维模型。对比分析不同回灌量下地温场分布云图和不同回灌量下地温场的分布规律,得出单井回灌量越大热影响半径越大、同时热峰面向抽水井方向运移速度越快,达到热贯通时间越短;前期系统运行回灌井附近区域温度变化明显,后期系统运行对回灌井周边较远区域温度变化较影响明显;不同位置热运移规律均与渗流速度相关,影响半径基本与渗流速度呈正比。

“两抽两灌”水源热泵系统应用效果分析及优化布置

为探究丹东市某工程地下水源热泵系统的实际应用效果及布井方式的合理性,采用COMSOL Multiphysics软件,建立三维水热耦合数值模型,对“两抽两灌”水源热泵系统进行为时一年的运行水温监测,并对实际应用中抽灌井的布置方式以及抽灌井间距是否存在含水层“热贯通”问题进行分析,将存在的问题与工程场地条件相结合。结果表明,采用“抽灌井平行布置”时,且抽灌井间距离为55 m时,发生“热贯通”的程度最轻,为丹东市水源热泵规划提供科学设计方法及参考依据。

群井抽灌系统空间布置对水源热泵系统影响研究

应用TOUGH2软件模拟群井抽灌系统条件下,通过改变含水层在抽水量大小,抽灌井在不同空间方位上的间距、不同水文地质条件以及在地下水流动方向等因素,对含水层温度场的影响演化进行研究,尤其针对含水层发生热突破以及井群发生干扰等实际水源热泵工程中遇到的问题进行分析研究。

抽灌同井储能特性实验研究——以沈阳地区为例

利用单井循环地下换热系统砂箱实验台,以沈阳地区供暖期和空调期时间为依据,开展了抽灌同井夏冬、冬夏2种运行模式下储能特性的实验研究。结果表明:该砂箱实验台中的含水层自身温度恢复能力较差,在系统运行间歇期,含水层温度不能恢复至初始状态;抽灌同井在热负荷占优的地区运行时,必须采用辅助技术手段,对地下含水层进行热量补给,保证系统长期可靠运行;建议系统先进行夏季放热工况运行,补充含水层储热量,再进行冬季取热工况,保持热源井的抽水温度和热泵系统运行效率均处在较高水平。

变抽水井为抽灌两用井增加有效水资源研究——以河南省焦作市郇封地下水漏斗区为例

在资料分析及实地调查基础上 ,对河南省焦作市郇封乡地下水漏斗区实施变抽水井为抽灌两用井措施以增加有效水资源方案进行了分析、论证 ,提出了实施方案 ,并分析了其推广应用前景。

地下水源热泵抽灌井优化布置及参数灵敏度

为了确定地下水源热泵的最佳布井方式,探明含水层温度场变化特征以及水文地质参数灵敏性,以石家庄地下水源热泵适宜区肖家营—东兆通为研究区,基于热储层的地热地质条件和热物性参数,利用FEFLOW软件构建了三维水-热耦合数值模拟模型。在2000 m^(3)/d的抽灌量下对不同井间距、不同布井模式-含水层温度场变化进行模拟,探讨发生热突破的可能性,并探讨温度场关于热导率、渗透系数、孔隙率等参数的灵敏度。研究结果表明:1)在单抽双灌模式下,方案C(两眼回灌井连线与地下水流向垂直,一眼回灌井位于抽水井正下游,另一眼回灌井位于沿地下水流向45°方向,即两回灌井与抽水井组成等腰直角三角形,抽水井正下游的回灌井为直角顶点)的布井方案对含水层温度场影响最小,为最优方案;2)单抽双灌模式下,抽灌量为2000 m^(3)/d时,方案C抽灌井间距设置在40~50 m较为合理;3)抽灌过程中,温度场对于渗透系数的改变灵敏度较高,而对孔隙率以及热导率的改变灵敏度较低。

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。

中深层抽灌井系统取热性能模拟研究

提取地下热储层内热水为建筑进行供暖是提取中深层地热能的重要技术手段之一。其中,将地热水进行回灌有助于维持地热储层压力,但可能产生热贯通等问题。利用FEFLOW软件建立了三维抽灌井水-热耦合模型,并对影响抽灌井系统取热性能的因素进行了模拟研究。结果表明,在该地热含水热储层条件下,抽灌井间距为300 m时,系统运行20年(7300 d)后,抽水井处不会产生热贯通效应。抽灌流量对系统运行性能有着直接的影响,抽灌流量越大,抽水井温度下降越早,系统末期抽水井温度越低,但仍能提供较高的产热量,较大流量与较小流量工况下系统运行末期温差约为3.87℃,取热量差可达2252471 W。抽水井温度随回灌温度的增加而增加,但含水层取热量逐渐降低。较大回灌温度与较小回灌温度工况下系统运行末期温差约为1.92℃,取热量差可达3150440 W。天然水流方向一定时,在不同水力坡度条件下,水力坡度对抽灌井系统性能的影响逐渐增加。当水力坡度为0.01时,位于地下水渗流下游方向的抽水井产生热贯通效应时间比位于上游时早1732 d,含水层取热量减少634270 W。因此,热储层中地下水渗流方向与抽灌井连线方向相同(即抽水井位于上游)时,系统取热性能较优。

抽灌同井运行特性实验研究——以上海地区为例

针对抽灌同井运行特性的研究不足,利用单井循环地下换热系统砂箱实验台,以上海地区的采暖期和空调期的时间尺度为依据,开展了抽灌同井夏冬、冬夏两种运行模式下运行特性的实验研究。结果表明,该砂箱实验台中的含水层热量流失较快,放热工况下热源井排放热量较容易,取热工况下热源井提取热量较困难。抽灌同井在冷负荷占优的地区运行时,需要采用辅助技术手段,分担地下含水层承担的供冷负荷,保证系统长期可靠运行。建议系统先进行冬季取热工况的运行,提取含水层储热量;继而进行夏季排热工况,保持热源井较低的抽水温度,提高热泵机组效率。

基于CFD的填砾抽灌同井数值模拟

文章根据已有的填砾抽灌同井砂箱实验台,建立了两种不同尺寸的多区域耦合三维CFD模型,选取了热源井的抽水温度、逐时取热量和累计取热量进行模型验证。热源井抽水温度实验值与模拟值的吻合度较高,两种模型25 min内热源井累计取热量的相对误差分别为3.28%和5.56%。分析结果表明:砂箱的几何尺寸会对含水层流场和温度场的变化造成影响;回填砾石区会发生流贯通,中间隔断区的宽度与抽、回水区的间距会影响回水进入抽水区的速率,因此,应增大回水区与砂箱上顶板之间以及热源井与砂箱四壁之间的距离;应当增大中间隔断层的宽度以及抽、回水区的间距,以此来延缓流、热贯通的形成。

四川绵阳市某填砾抽灌同井地源热泵工程现场试验研究

为研究填砾抽灌同井地源热泵系统的换热性能,利用多功能数据采集仪,对绵阳市某填砾抽灌同井地源热泵系统的夏季取冷进行了现场测试。结果表明:当抽水流量从14 m^3/h降到8 m^3/h时,抽水温度从23.2℃降到17.9℃,抽回水温差从1.6K上升到2.5K,而热贯通系数由77.1%降到3.9%。可见抽水流量的变化对填砾抽灌同井的影响很大,得出最佳抽水流量为8m^3/h,此时换热量为23.3k J/h,热贯通系数为3.9%。

地下水源热泵抽灌井群优化布置模拟研究

保持抽水井水温的恒定是保证地下水源热泵系统稳定运行的关键因素,而不同的抽灌井数量对抽水井水温的影响也不尽相同,笔者通过建立地下水流与温度的耦合模型,从不同的抽灌井数量搭配方面,模拟预测不同布井模式下地下水温的变化趋势,分析模拟结果提出最佳的布井方案,为工程实际提供理论依据,弥补了凭经验进行水源热泵布井的不足。