浅层地热能资源可持续开发分区引导与分级利用方法研究

浅层地热能开发利用是一项庞大而复杂的系统工程,但目前的开发过程仅对技术方法提出了明确的要求,未对资源利用规划引导提出具体的途径与要求。本文基于浅层地热能可持续利用的原则,研究上海市浅层地热能开发利用过程,实现分区引导、分级利用,提出了从资源调查、分区规划、分级引导、技术指导的浅层地热能全过程管理方法,并以上海市松江区和金山区为例进行了浅层地热能开发利用区域性划分,对松江区石湖荡镇进行了分级评价。

上海市崇明区浅层地热能资源量潜力及经济环境效益评价

根据上海市崇明区浅层地热能的赋存条件及分布特征,对该区浅层地热能资源量潜力作了估算,并从经济效益与环境效益进行开发利用评价。结果表明:上海市崇明区150m以浅岩土体浅层地热容量总计约为1.05×1014kJ/℃;取可利用温差为5℃时,浅层地热能静态储量合计约为5.24×1014kJ;在不考虑土地利用系数的情况下,上海市崇明区地埋管换热方式夏季制冷工况平均资源潜力为571848m2/km2,冬季供暖工况平均资源潜力为1019066m2/km2。从经济效益角度评价,上海市崇明区各类建筑以地埋管换热方式进行冬季供暖平均每平米每年可节约2.19kg标准煤,夏季制冷平均每平米每年可节约2.20kg标准煤,换算成直接经济效益各建筑类型在单位面积每年可节约费用9.38~28.11元。从环境效益角度评价,崇明区各类建筑单位建筑面积年平均减排二氧化碳10.82kg、二氧化硫0.09kg、粉尘0.04kg。

上海地区大地热流分布特征及深部地层温度预测

上海地区地热能资源利用类型主要为浅层地热能,尚未系统开展过区域大地热流值以及中深层地热能资源研究工作。文章根据全市84个测温孔测温数据和岩土体综合导热系数,研究了上海地区大地热流和0～4 km深部地层温度特征。结果表明:本区地表大地热流的分布受基底起伏和断裂构造控制,高值区位于安甪—青浦断陷和金山—杭州湾断隆两个三级构造区内,整体表现出西部地区高、东南沿海地区低,平均值为52.62 mW/m^2;基于稳态热流状况下利用浅部的地温资料对1～4 km深部地层温度进行预测,高温区主要分布在上海西南部青浦赵屯—松江佘山—青浦练塘—金山枫泾—金山朱泾—金山廊下一带,未来具备一定地热开发潜力;高温异常区的分布不只与断裂构造有关,还受其他构造事件影响。

上海地区岩土体分层导热特征及其计算模式研究

由于不同土层、不同岩性的导热系数存在差异,分层导热系数的精准计算利于地埋管换热器优化设计,提高地热利用率,降低地源热泵系统长期运行造成的岩土体热不平衡。热响应测试得到的导热系数较为准确,然无法体现岩土体的分层特性。室内测试法获取的导热系数能够体现岩土体的分层特性,但不够准确。本研究结合上海地区地下岩土体的分层特征,将地下岩土体分层细化、岩性归类,结合室内测试和现场测试结果,利用权重系数法建立岩土体分层导热系数与综合导热系数的相关关系,得到的导热系数更能反映地下岩土体分层特征也更精确。

上海软土地层中能量桩的热力学特性

为了揭示能量桩的热-力学特征,在上海奉贤海湾浅层地热能科学试验场进行了W型钻孔灌注能量桩现场试验,并利用Fluent和Abaqus软件进行了数值模拟,对比分析了不同荷载水平和换热管进水温度下能量桩及土体温度与桩身轴力变化规律。结果表明,桩顶荷载引起的桩身轴力沿桩深递减,温度变化引起的轴力变化主要作用于桩身中段,且加热工况的影响大于制冷工况。加热工况下,温度引起的轴力变化主要作用于桩身的中段,表现为轴力增加,增加量最大可达581kN,随着荷载水平增加,轴力最大值从桩体中部向上移动;制冷工况下,轴力最大值位于桩体上段,桩体下段可能产生轴向拉力,且换热液温度越低,桩顶荷载越小,轴向拉力越大,最高可达353kN,在能量桩设计时,应考虑桩身的抗拉强度。

浅析热平衡措施对上海地区地源热泵系统换热区域温度的影响

基于上海地区浅层地热能项目多年的监测数据,分析了多个地源热泵项目运行多年后换热区域温度的变化特征,以及热平衡措施对换热区域温度的影响。分析结果表明:所监测地埋管地源热泵项目中,具备热平衡措施项目的地埋管换热区域温度基本稳定;不具备热平衡措施项目的地埋管换热区域温度基本上呈现升高趋势,出现了明显的热堆积现象。

混合型中心点白化权函数在能源地下工程适宜性评价的应用

能源地下工程在用地紧张的超大城市中具有占地面积少,换热效率高等显著优势,然而,由于其设计和施工相对复杂,目前实施的工程案例较少,且适宜性评价研究也相对滞后。针对这一现状,本研究聚焦能源地下结构运行特征,筛选出9个主要评价指标,对每个指标建立了混合型中心点白化权函数,以提高评价过程的客观性和准确性,并采用层次分析法构建了一套能源地下结构适宜性评价体系。最后,将体系应用于上海地区能源地下结构实际工程评价中,验证了该评价体系的科学性和合理性,为浅层地热能与地下空间协同开发提供了技术支持。

浅层地热能与地下结构协同发展的研究与应用现状

浅层地热能在地下结构中的应用打破了传统能源技术和工程结构的模式。总结了国内外浅层地热能与地下结构协同利用的一些工程实例,分析了能源桩、地下连续墙在传热模型、传热特性和热力学响应等方面的研究现状,梳理了地下能源结构研究中应用的试验、理论研究和数值模拟方法,归纳了当前研究中存在的问题,提出了未来的研究方向和建议。

地下水渗流与地源热泵热量运移耦合模拟

为准确模拟不同地下水径流条件下地源热泵系统地埋管换热区地温场变化特征、系统换热性能变化规律以及由此而产生的热量堆积效应等问题,以同济大学生态园试验场地为研究对象,采用理论分析及数值模拟计算为主要手段,建立了水流、介质、热量三场耦合的数值模拟模型。结果表明:随着地下水渗流速度的增大,热量逐渐向地下水流动方向偏移,粉砂层扩散偏移幅度小于细砂层,细砂层小于粗砂层。0~80 m深度,土层热量堆积明显,处于含水层深度范围内的80~100 m深度土层热量堆积越少。随着地下水渗流流速的增大,地埋管换热器单位深度换热功率逐渐增大,两者为线型关系,地下水渗流流速为1.33×10^(-4)、6.30×10^(-4)及1.27×10^(-3)m/d时地埋管换热器换热功率增幅分别为0.53%、1.31%及2.43%。

地下水源热泵运行期地质环境监测与响应特征

以上海某地下水源热泵实际工程为例,通过设置监测设施对换热区地温、水位、沉降及水质等地质环境要素进行了监测,根据地下水源热泵系统稳定运行3a的监测数据,分析评价了地质环境要素变化特征及与工程运行的关系。研究结果表明:受地下水抽/灌的影响,监测井处含水层地温随季节呈波状起伏变化,制冷季末不同深度地温均呈逐年降低趋势且含水层上部地温高于下部;监测孔中地下水位呈季节性上升下降,最大变幅约1. 1m;各分层沉降标均呈下沉趋势且不同深度的分层标变形量存在差异;含水层发生季节性的压密和回弹,上覆隔水层与含水层的变形特征相反,最大累计变形量达1. 2mm;监测期内地下水水质未产生明显变化。

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。

土壤源热泵换热区热承载能力影响因素分析

基于上海地区某土壤源热泵试验场,建立三维垂直地埋管换热器支路传热模型,分别分析了地埋管换热器结构、管内流体、埋管布置和运行模式四个因素对换热区岩土体热承载能力的影响,结果量化了不同因素的影响程度,以期为土壤源热泵系统的设计提供参考。

地埋管地源热泵换热区岩土体热承载能力评价

为了准确量化岩土体热承载限度问题,针对埋管式地源热泵系统提出一套换热区热承载能力综合评估方法,并将之应用到上海某地下埋管换热试验场,建立地下岩土体与地埋管耦合传热数值模型,并根据试验结果对模型进行校验,基于模拟计算得到5年末场地岩土体允许热承载能力冬、夏季分别为5.06 k W、7.80 kW,相应的延米换热功率分别为42.19 W、64.97 W,评价方法对浅层地热能的合理开发利用具有积极意义。

盐蚀对白泥陶粒混凝土超声波波速及强度影响的研究

通过对陶粒混凝土进行的超声波检测和立方体抗压试验,研究了混凝土立方体抗压强度和超声波波速之间的关系,以及不同种类、浓度、腐蚀时间的盐溶液浸泡腐蚀与干湿循环等因素对陶粒混凝土波速以及强度的影响规律。试验结果表明,混凝土的抗压强度与波速具有较好的正相关性;掺入白泥可以提高陶粒混凝土的强度;干湿循环对硫酸盐的腐蚀具有促进作用,对氯盐和混合盐的腐蚀有抑制作用;氯盐和硫酸盐浸泡腐蚀使混凝土超声波波速呈现先下降再回升,最后趋于稳定的趋势,其中初期分别最多下降了6.48%和3.36%,可以推测混凝土的强度也有类似规律。