现场热响应试验测试数据对比及应用分析

勘查评价浅层地热能地质条件及换热能力是高效开发浅层地热能资源的关键基础,对高效、可持续利用浅层地热能起着举足轻重的作用。不同区域地质条件千差万别导致地下换热效果不同,目前现场热响应试验,是地埋管地源热泵系统区域调查评价和应用项目场地勘查中,采用的重要勘查手段。通过现场热响应试验获得地温场初始地温、岩土体的热物性参数,计算得出每个地埋孔的换热能力即换热功率,可为评价地埋管地源热泵系统适宜区域的浅层地热换热功率提供依据,指导地埋管地源热泵系统地下换热系统设计。本文主要对地层初始地温、不同测试功能测试所得数据,进行了对比及应用分析,对指导现场热响应试验的科学合理应用,具有重要的参考意义。     

浅层地热能地下换热系统适宜性评价与优化设计——以郑州市浅层地热能示范工程为例

地热资源的开发利用对减少CO₂排放和抑制全球气候变化能起到积极的作用。目前,国内浅层地热能地下换热主要有地下水换热系统和地埋管换热系统2种方式,其共同优点是能源利用系数高、安全稳定、零污染排放等,但在换热效率、开发利用条件、空间占用等方面各有利弊。本文叙述了浅层地热能地下换热系统适宜性评价指标,结合郑州市浅层地热能示范工程建设项目,分别进行了抽水与回灌试验、岩土热物性参数测试、地层热响应试验等现场试验,对浅层地热能2种换热方式的适宜性进行了分析比较,得出建设区岩土具有较高的导热系数和容积比热容,有利于热量的传导与保持;但区域水位埋深浅,现场试验回灌量仅107.37 m³/d,回灌能力较差。相比之后,优化设计并选择了更适用于建设区浅层地热能开发利用的地下埋管换热系统。     

地埋管热泵换热系统热影响半径分析

地埋管热泵换热系统是一种在开发利用浅层地热能过程中应用非常广泛的热交换系统。本文依托山东省国土资源厅实施的聊城市浅层地温能调查评价项目,对聊城市某小区内的地埋管热泵换热系统安装温度自动采集监测装置,2016年采集一个完整制冷期的地温变化数据,通过监测地埋管热泵系统换热孔和周边一定距离内监测孔内温度变化,绘制换热孔和监测孔一定时间范围内温度随时间和距离的关系变化曲线,分析换热孔在吸收热量后温度通过土壤介质的传播速率和最大影响半径,从而为实际地埋管热泵换热系统工程设计提供了依据。     

地层初始温度及结构对地埋管换热能力影响分析

不同地质条件下,地埋管的换热能力有所不同,热能采集和扩散能力存在差异。为给地埋管地源热泵系统工程提供科学合理的设计依据,本文利用现场热响应测试数据分析了地层初始温度以及地层结构对地埋管换热能力的影响。结果表明:地埋管换热能力与地层初始温度呈较好的线性相关性,地埋管夏季延米换热量随地层初始温度的升高而减少,冬季延米换热量随地层初始温度的升高而增加;不同地层结构,地埋管换热能力有所不同,在富水性相对较好、岩性颗粒粗、地下水径流速度快的区域,地埋管换热效果要优于富水性相对较差、岩性颗粒细、地下水径流速度慢的区域。     

浅层地热能在岩溶地区的开发应用

地埋管换热系统是采集浅层地热能的一种热交换系统,文章介绍了用地埋管换热系统,在岩溶发育的碳酸盐岩地层中开发利用浅层地热能的成功经验,为在岩溶地区开发利用浅层地热能提供技术性参考。     

双U型地埋管换热器换热性能试验研究

双U型地埋管换热器(DUBTHE)在实际应用中易出现管路交叉,引起热短路,造成换热性能降低,直接影响浅层地源热泵系统的运行效率。以西安某浅层地源热泵项目为工程背景,基于无限长线热源理论和斜率法,通过现场岩土热响应试验、不同测温法测温试验,研究了岩土初始平均温度、导热系数和体积热容,及管卡间距对DUBTHE换热性能的影响。结果表明：多点式测温线缆测得的岩土初始平均温度为17.08℃,更接近实际地层温度。该地层的岩土综合导热系数和综合体积热容分别为1.65 W/(m·K)、2.81×10⁶ J/(m³·K)。DN25 DUBTHE的夏、冬季单位延米换热量随着管卡间距减小而增加,且增速随管卡间距的减小先增大后减小。当管卡间距分别为1、2、3、4 m时,DN25 DUBTHE的夏季单位延米换热量较无管卡分别提高了21.03%、19.48%、15.16%、3.92%;DN25 DUBTHE的冬季单位延米换热量较无管卡分别提高了20.83%、19.48%、14.94%、3.79%。工程中最优的管卡布置方式为2 m或3 m管卡间距的DN25 DUBTHE。...     

套管式地埋管换热器热短路及换热性能

套管式地埋管换热器是深层地源热泵系统常用的换热装置。基于流体流动换热方程,建立套管式地埋管换热器与周围岩体之间的传热模型。以第一个供暖季为例,分析内管导热系数和循环水流量对换热性能的影响,并引入换热器效能对热短路现象进行评估,研究结果显示:内管导热系数越大,热短路现象越显著;热短路使内外管中循环水温差降低,管内出现热堆积,导致换热器换热功率降低;套管式地埋管换热器的换热功率随循环水流量的增大逐渐增大;内外管之间存在热短路时,出口水温随循环水流量的增大先升高后降低,随着流量增大,换热器效能增大。研究成果可为深层地源热泵系统中地埋管换热器的设计提供借鉴。      

天津滨海新区浅层地热资源评价及开发利用对策分析

文章从天津滨海新区城市发展对浅层地温能资源需求出发,在分析本区浅层地热能赋存概况的基础上,针对该区浅层地热能利用方式（地下水源热泵、地埋管地源热泵）计算了适宜区与较适宜区的浅层地热储量和换热功率,以及带来的经济和社会价值;提出适宜滨海新区的浅层地温能开发利用方向及对策.     

北京平原区地源热泵换热能力现场测试研究

岩土体不仅决定地温场的展布形态,而且也是浅层地温能资源评价和工程设计的关键因素,掌握区域岩土体的热物性及换热性能,是保障热泵高效稳定运行的关键。根据北京地区在施地源热泵工程对现场换热能力测试结果,系统地研究了地层结构及岩性、水文地质条件、回填材料等因素对综合热导率的影响。研究结果表明:在相同条件下选择适当回填材料有利于提高系统换热性能,膨润土和水泥基作为回填材料,比中细砂作为回填材料的换热性能分别提高了17.6%和19.7%;岩土体和地下水是热能赋存和传播的物质基础,地下水与地层结构决定着地温场分布形态和换热效率,地埋管换热器的换热能力与土壤颗粒、地下水位、地下水渗流存在直接关系,土壤颗粒越大,地下水位埋深越浅,渗流越快,对地埋管换热器换热能力具有明显的强化作用。     

U形垂直埋管换热器换热性能试验研究

在地源热泵系统中,埋管换热器的换热性能与很多因素有关.本文通过地源热泵试验台,参照国外地下埋管换热器岩土温度场的求解方法,采用线热源理论及热阻原理,将U形垂直埋管换热器等效转化为单管换热器,对相关影响因素进行了分析与实验研究.实验结果表明,循环流体的流速对换热器换热效果影响较大,流速维持在2.5m 3/h左右内比较合理,管道材料的热物性对换热影响不大,但在回填材料中加入砂砾可以显著提高换热量,在北方寒冷地区应尽量避免系统的长时间连续运行.     

砂岩分级加卸载蠕变试验过程能量演化分析

对陕西柠条塔砂岩样品进行单轴分级加卸载蠕变试验，分析样品变形破坏过程中的能量演化规律。结果表明：随循环级数增加，各级耗散能非线性增长，各级塑性应变能相对稳定；耗散能超过塑性应变能可作为样品破坏的先兆能量特征。通过定义相关系数，建立能量与变形之间的关系后发现：随循环级数增加，各级塑性应变能与各级新增塑性应变呈正相关性，各级耗散能与塑性应变累积量呈正相关性。分别对加载、蠕变、卸载及恢复等4个阶段的能量计算后得出：各阶段能量演化速率均随循环级数的增加而增大。加、卸载速率恒定时，加载段能量变化率大于同级卸载段能量变化率，蠕变段能量变化率大于同级恢复段能量变化率。通过分析各级循环加载段能量变化规律，提出能量衰减系数 ，该值随应力水平增长呈幂函数形式降低，以此提出一种可以有效预测破坏应力的方法。     

我国海洋无碳能源调查与开发利用主要进展

海洋可再生能源属于无碳能源,包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能和风能等多种形式。文章介绍了国内外海洋无碳能源的开发利用现状,重点阐述了我国海洋无碳能源储量、分布及其开发利用条件,以及我国海洋无碳能源发展存在的问题和开发利用前景。开发利用海洋无碳能源符合碳中和发展需求,在能源转换中占有重要地位,对沿海和海岛经济发展、生态环境保护和海洋国防建设具有十分重要的战略意义。     

受载煤岩组合体破坏前能量分布规律

为研究引发冲击地压的能量在煤岩系统中的分布规律,理论分析了二元、三元组合模型峰前能量分布计算公式,并对自主构建的不同比例的二元、三元组合体开展了轴向加载试验。试验结果表明：随着煤岩高度比增大,组合体峰前总能量也逐渐增大,但增幅逐渐减小;相同煤岩高度比的组合体,岩石组分越硬,组合体峰前总能量越小;无论何种组合体,煤组分能量占比最大,均大于50%;随着煤岩高度比的增大,煤组分能量占比逐渐增大,岩石组分能量占比逐渐减小;煤岩高度比相同的组合体,岩石组分越硬,煤组分能量占比越大。组合体峰前能量主要分布在煤组分中,其次为粗砂岩,细砂岩积聚能量最少。由此表明：煤岩系统中的能量主要分布在软弱煤岩层中,岩层弹性模量越大,积聚能量越少。据此提出了直接释能和间接释能两种冲击地压防控理念,对现场冲击地压的防治具有指导意义。     

吉林市城区地下水源热泵浅层地热能开发利用前景分析

地下水源热泵浅层地热能是指地下水在抽水-回灌过程中,利用水源热泵提取水中的热能,或用于空调制冷产生的能量转换。地下水源热泵地热能是浅层地热能的一种主要类型。地下水源热泵浅层地热能是一种可循环利用、环保的新型能源,逐渐为人们认识,具有广泛的开发前景。本文简要介绍吉林市城区地下水源热泵浅层地热能条件,开发利用前景分析。     

The influence of sediment thickness on energy delivery to the bed by bedload impacts

Fluvial bedrock erosion rates due to impacting sediment particles are thought to be proportional to the energy delivered to the bedrock. When sediment particles cover the bed, they reduce the energy transmitted to the bed by an impacting particle. We measured the decline of energy transferred through sediment cover of increasing thickness in laboratory experiments. The energy arriving at the bed is a function both of the cover thickness and the grain size of the covering sediment. Using a simple stochastic model of cover distribution, the experimental results were upscaled to the reach scale. Although cover thickness influences energy delivery heavily at a given point, when averaging over the whole bed, cover-free areas dominate total energy delivery, making partial energy transfer through the cover negligible when a small or intermediate fraction of the bed is covered by sediment. Partial energy delivery through the bed cover is not negligible when a large fraction or the complete bed is already covered, but in this situation, an erosion threshold may become important. On grounds of the presented data, we expect that the areal distribution of sediment in a bedrock channel dominates total energy delivery and that partial energy delivery to the bed through a sediment layer can be neglected for most modelling purposes.     

土工袋减振与耗能的数值模拟

土工袋减振效果良好且造价低、施工简单,现研究与应用多基于现场重复试验,而少见有减振机制研究。根据土工袋的消能减振作用原理,利用离散单元法,建立土工袋减振过程中能量耗散方程;模拟单一竖向加载条件下各部分的能量耗散,从能量守恒角度对计算结果进行合理性分析,验证所建立的能量耗散方程与计算方法的正确性;然后利用经验计算模型,对土工袋单体进行1 000 N/s加载速率条件下3次循环加载时各部分能量耗散数值模拟,定量研究土工袋单体的减振效果。理论研究表明,土工袋袋子及袋内材料总消耗能量百分比随着加荷与卸荷的进行而呈“波浪状”增减趋势,占总能量的百分比在75%以上,可以起到较好的消能效果。     

泥沙输移与坡面降雨和径流能量的关系

从导致土壤侵蚀的降雨和径流能量出发,提出了基于物理学原理的降雨能和径流能的概念,并采用人工模拟降雨实验,分析了泥沙输移与降雨和径流能的关系,结果显示:坡面薄层径流泥沙剥蚀量随着地表坡度、降雨能和径流能的增加而增加,雨滴击溅作用下泥沙剥蚀量远远大于无雨滴击溅作用时泥沙剥蚀量;薄层水流泥沙浓度随着坡度和降雨能的增加而增加,当坡度和降雨能一定时,泥沙浓度随着径流能的增加而减小;降雨扰动系数与降雨和径流能的比值按照对数关系增长,在相同坡度下,当降雨能一定时,降雨扰动系数随着径流能的增加而减小,当径流能一定时,降雨扰动系数随着降雨能的增加而增加。降雨能是导致泥沙剥离的本质,径流能是泥沙搬运的动力。     

密实散粒体剪切破坏能量演化的离散元模拟

砂土等散粒体在剪切过程中的能量存储及耗散是其宏观力学响应的深层原因,但因量测难度较大而研究较少。将考虑抗转动的接触模型引入离散元软件PFC2D,基于热力学第一定律建立各种能量量测方法,并在平面应变双轴压缩试验中采用该方法统计密实散粒体在剪切过程中的能量演化规律。采取了4种耗散类型,即滑动-滚动（S-R）、滑动-非滚动（S-NR）、非滑动-滚动（NS-R）和非滑动-非滚动（NS-NR）。结果表明：密实散粒体加载时能量耗散以滑动摩擦为主;且小应变加载阶段,外力功主要转化为弹性应变能,但同时也存在均布于试样的耗散能;随着应变的增加,外力功的转化形式逐渐过渡为以耗散能为主,且集中分布在带状区域内;各个加载阶段的摩擦耗散均存在各向异性。     

煤岩组合体峰前能量分布公式推导及试验

冲击地压一定是在能量驱使下发生的,为探索引发冲击地压的能量在煤岩系统中的积聚层位,构建了煤岩组合体力学模型,推导了煤岩组合体峰前能量分布公式,对细砂岩−煤（fine sandstone-coal,简称FC）、粗砂岩−煤（gritstone-coal,简称GC）、细砂岩−煤−粗砂岩（fine sandstone-coal-gritstone,简称FCG）3种组合体开展5种加载速率下的能量积聚规律试验,分析了组合体破坏特征、力学特性及能量积聚规律。试验表明：（1）在0.001 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以原生裂纹的扩展、贯通的形式缓慢耗散,属于塑性完全破坏;在0.1 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以局部弹射破坏的形式快速释放,属于脆性不完全破坏。（2）组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数与加载速率呈对数关系。随着加载速率增大,组合体抗压强度、弹性模量、冲击能量指数增幅逐渐减小,峰前能量增长率呈现低－高－低的趋势。（3）随着加载速率增加,煤组分储能增多,能量占比增大。在0.001～0.010 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较快;在0.010～0.100 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较慢。（4）相同加载速率下,煤组分能量占比顺序：FC组合体＞FCG组合体＞GC组合体。（5）组合体中煤组分能量占比均大于50%,煤组分是能量积聚的主要载体。相同应力条件下,软弱岩层能量积聚能力强于坚硬岩层,更易积聚能量。研究结果可为确定冲击地压能量积聚层位和释能减冲工作提供参考。     

压入硬度的修正方法──根据硬度和塑性系数估算破岩比功

通过分析压入硬度和破岩比功的关系,得出比功更能综合反映岩石的破碎难易程度的结论。为简化比功的测定方法,提出根据压入硬度、塑性系数及破碎坑体积扩大率来估算比功的方法,推导出比功的计算公式,并对比功的计算值和实测值进行了对比,具有一定应用价值。