黄河冲积平原(鲁西北)浅层岩土体综合热导率研究——以临清市为例

现场热响应试验测试是获取换热深度内岩土体综合热导率最直接的方法,能够快速、直观的体现岩土体换热能力.通过分析研究临清市钻探获取的地质、水文地质参数,结合热响应试验成果资料,分析在一定条件下岩土体综合热导率与初始地温、含水层厚度、渗流速度、地下水位埋深等相互关系,发现综合热导率与初始地温、含水层厚度、渗流速度正相关,与地下水位埋深反相关.在黄河冲积平原(鲁西北)地埋管地源热泵系统开发利用应选择初始地温较高、含水层厚度大(古河道带)、地下水位埋深浅、地下水径流条件好的区域.     

地质条件及埋管形式对地埋管换热器换热性能影响研究

利用北京市35个现场换热孔岩土热响应试验数据,分析了地质条件和埋管形式对地埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明地质条件对地埋管换热性能具有显著影响:地层初始平均温度每变化1℃,换热能力相差8%左右;基岩地层的地埋管换热能力平均比松散层高35%;换热孔处地下水流速从0.14 m/d增至0.91 m/d, Pe值从18增加至113,由于热对流换热作用加强,延米换热量提升13%。在相同地质条件下,套管式换热器冬季延米取热量比双U型换热器高约40%;换热深度从150 m增加至300 m时,双U型和套管式换热器延米取热量均略有升高。     

华北平原主要城市浅层岩土综合导热能力研究——基于现场热响应试验分析

现场热响应试验方法可以获得换热深度内岩土体热物性参数的平均值,能够较真实地模拟地源热泵的实际运行情况,在地源热泵工程勘查设计阶段得到了广泛的应用。本文基于华北平原89个钻孔的热响应试验数据,对地表以下200 m深度内岩土体的综合导热能力进行分析,并对影响综合热导率的因素进行了探讨。结果表明,华北地区综合热导率大部分处于1. 50~2. 16 W/(m·K)之间（25%<累积概率<75%）。在富水性较好、岩石颗粒粗、地下水径流速度较快的区域,地埋管换热器的换热效果明显高于富水性差、岩石颗粒细、地下水径流速度慢的地区。地层岩性、含水率特征和地下水径流条件是影响岩土体综合热导率的主要因素。其中200m深度以内不同地区岩土体的岩性组成各不相同、地下水位埋深不同,是造成综合热导率差异的重要影响因素,地下水径流对岩土体的综合导热能力有促进作用。用无量纲Peclet值（Pe）判断地下水流动对换热过程影响的大小,在0. 28＜Pe＜0. 84的情况下,Pe值增加47%,岩土体综合导热能力增加7. 56%。     

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。     

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。     

地下群井改变径流条件下的三维实验模拟研究

为研究改变地下径流条件时对U型地埋管换热器周围温度场恢复的影响,对北京某区实验基地U型地埋管进行夏季换热实验。通过抽水实验改变地下径流条件,取得了地源热泵系统的运行参数以及周边温度场变化趋势,通过COMSOL软件模拟三维U型地埋管在多场耦合作用下的换热过程,改变径流条件得到了换热孔周围0.5 m、1 m地温场恢复曲线,得到U形管口出口温度等。地下水径流能引起地埋管周围温度场的变形,地埋管周围温度场的迁移变化方向同地下径流速度场方向一致。对比实验值得出:运行稳定后地埋管的出口温度模拟值与实际值工况接近,地埋管在10 m、120 m处的温度模拟值与实验值吻合好,地埋管深5 m、48 m、89 m处周围0.5 m、1m的温度恢复比原始地温高1℃左右,与实际监测结果相同,证明了数值模拟的正确性。在此基础上预测了加大径流条件下的地温场恢复情况,并分析了原因。此三维模型可研究不同土壤分层构造、地下水不同流速、人为改变地下流场条等复杂三维多场耦合问题,可初步预测实际工程中,换热群井运行过程中地下温度场的变化。为进一步研究土壤分层和地下水分层流动下,地埋管群井周围温度场变化奠定了基础。     

中国浅层地热能成因机理及其控制条件研究

研究成因机理及其控制条件,对我国大规模科学开发利用浅层地热能意义重大。研究表明:浅层地热能分级控制特征明显,大地热流和年均气温控制浅层地热能大地成因。基岩埋深、地温梯度、活动断裂和地下水条件,控制浅层地热能区域分布规律。浅层地热能可采能力,则主要由浅层地温场、地下水条件、岩土体物质成分和结构、孔隙度、含水率和回填材料制约。常温层底板埋深温度等值线可以表征区域分布规律,基底埋深控制总体分布特征,后期活动断裂是影响和控制的关键因素,地下水条件对浅层地热能迁移赋存规律影响较大。首次提出我国浅层地热能开采区规模分类方案。     

河南省主要城市浅层地温能特征及开发利用建议

河南省浅层地温能资源具有分布广泛、资源量丰富、开发利用方便等特点,发展前景广阔。通过对河南省主要城市的地质、水文地质条件和岩土体结构特征等浅层地温能赋存特征的分析,采用数理统计和对比分析等综合研究的方法,对比研究了不同地貌类型城市200m以浅的岩土体热物性特征、浅层地温场分布特征和岩土热响应特征等的异同及其分布与变化规律。结果显示:河南省主要城市浅层地温能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的各类松散堆积物,这些松散的堆积物和储存于其孔隙内的地下水为浅层地温能的载体;岩土导热系数会随着孔隙率的增加而减小,随岩性颗粒变粗而增大;城市地层综合导热系数和换热能力与地下水径流条件呈正相关;位于盆地和山前地带水文地质条件优越的城市或地段,浅层地温能开发利用宜采用地下水换热方式,松散堆积物厚度较大且以细粒相沉积为主的城市或地段,宜采用竖直地埋管换热方式。     

不同土壤类型与含水率对水平埋管换热性能影响数值分析

为揭示地源热泵系统水平埋管换热器在不同土壤类型中的换热性能,基于土壤毛管水理论知识,结合数值模拟的研究手段,探讨了蓄能不同类型土体内(砂土、壤土、黏土)三相组成的差异对水平埋管换热器换热特性的影响规律。结果表明,在通入308.15 K制冷工况下,水平管在壤土中的出水温度降低至303.3 K,进出口水温差为4.9 K,埋管单位延米换热量37.1 W/m,水平管在壤土中的制冷换热效益显著;不同土壤(砂土、壤土、黏土)在经历相同制冷周期下,水平管的换热过程对壤土的温度场分布影响最小,管体在壤土中运行时热堆积风险系数最低。研究表明,水平管与土壤的换热性能同时受土壤比热容与土壤导热系数的影响,提高土壤导热系数比提高土壤比热容获得的效益更加显著。可以通过压实回填、减少土壤孔隙率、提高固相回填材料导热系数、加大布管深度以提高回填材料含水率等方法来强化埋管的换热性能。      

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.     

江西赣县大地热流特征与热源机制研究

江西省赣县区位于江西省南部、属于我国东南高热流区,但赣县区内大地热流研究尚属空白,制约了区域地热背景的综合认知和进一步研究评价。本次研究基于钻孔测温及岩心样品热导率测试数据,通过分析校正得到赣县地区平均大地热流值为75.9mW/m²,高于我国大陆地区平均热流值,反映了区域具有较高的热背景。通过放射性测试,得到研究区花岗岩体放射性生热率平均为5.68μW/m³,属于高放射性岩体,大面积分布的高产热花岗岩,可为区域地热背景提供稳定的附加热源,此外贯穿本区的深大断裂及其次生断裂给热水提供了深循环通道加热,因此推测研究区地热资源的热源机制为“地下水深循环加热+高产热花岗岩体生热”的模式。     

工质变物性对EGS热开采过程影响的数值模拟

增强型地热系统(EGS)热开采过程中循环工质的温度和压力会经历较大范围的变化,这会造成循环工质的热物性变化,从而影响流体工质的输运和岩石-流体热交换;数值模拟EGS热开采过程,预测EGS的寿命、出力等性能指标有必要考虑循环工质的热物性变化.笔者在EGS热开采过程三维数值模拟中考虑水和超临界二氧化碳的变物性,实现了热流双向耦合.针对水EGS分析了各物性变化对EGS采热性能的影响,并对变物性条件的水和超临界二氧化碳EGS的采热性能进行了对比研究.结果表明:工质在密度影响下开采寿命为9.0 a在密度和比定压热容共同影响下的开采寿命为7.5 a,说明密度和比定压热容越大则EGS开采寿命越短;在黏度系数影响下的开采寿命为18.0 a,说明黏度系数越大则EGS开采寿命越长;导热系数则对EGS采热性能无明显影响.注入压力一定的条件下以水为工质的EGS具有较长寿命,但相同时刻的质量流率和热开采率低于以临界二氧化碳为工质的EGS.     

Heat flow in the Altai-Sayan Area: new data

Eleven new estimates of heat flow (q) from the southern Altai-Sayan Folded Area (ASFA) have provided update to the heat flow map of Gorny Altai. Measured heat flow in the area varies from 33 to 90 mW/m², with abnormal values of >70 mW/m^q at four sites. The anomalies may have a deep source only at the Aryskan site in the East Sayan (q = 77 mW/m²) while high heat flows of 75–90 mW/m² obtained for the Mesozoic Belokurikha and Kalguty plutons appear rather to result from high radiogenic heat production in granite, which adds a 25–30 W/m² radiogenic component to a deep component of 50–60 mW/m². The latter value is consistent with heat flow estimates derived from helium isotope ratios (54 mW/m² in both plutons). Heat flow variations at other sites are in the range from 33 to 60 mW/m². The new data support the earlier inferences of a generally low heat flow over most of ASFA (average of 45–50 mW/m²) and of a “cold” Cenozoic orogeny in the area (except for southeastern ASFA), possibly driven by shear stresses associated with India indentation into Eurasia.     

青海当金山口—四川黑水大地热流研究

在青海当金山口－四川黑水剖面（ＧＧＴ）区带内大地热流测量的基础上，采用布拉德数值分析法对地温梯度进行了三维地形校正，对中－新生代孔隙岩石热导率样品进行了饱水校正，取得了满意的效果，获得了１０个可信的大地热流值。青藏高原北部平均热流值为５１ｍＷ．ｍ＾－２，变动于３５～７８ｍＷ．ｍ＾－２，柴达木北缘构造带和巴颜喀拉构造带处于二者之间，平均为４９ｍＷ．ｍ＾－２。这种分布不均７２ｍＷ．ｍ＾－２，柴达木北缘     

石油污染对冻土热传导的影响

Complex experimental research of thermal properties of oil-contaminated frozen soils was carried out. On the basis of the obtained results the influence of the various factors connected with oil pollution on heat transfer in frozen soils was analyzed. And the model of heat transfer in frozen soils was offered.     

Heat extraction from aquifer geothermal systems

This study aims to model temperature distributions in an aquifer thermal extraction (ATE) system that contains a single extraction well in a thin confined aquifer. The aquifer is bounded by hot dry rocks with different thermomechanical properties and thicknesses. Based on the heat convection–conduction equation, a mathematical model is developed to describe the spatial and temporal temperature distributions of the ATE systems. The mechanisms of heat transfer in the model involve horizontal convection and thermal conduction in the aquifer, and vertical thermal conduction in both rocks. A semi‐analytical solution in dimensionless form is developed using the Laplace transform technique and its corresponding time‐domain result is computed by the modified Crump method. In addition, the steady‐state solution is obtained by applying the final value theorem. The simulation results from the semi‐analytical solution indicate that the aquifer temperature distributions are affected by aquifer thickness, the thermomechanical properties of the aquifer and rocks, geothermal gradient, outer boundary temperatures of the rocks, extraction rate, and operating time. The present solution can be used as a preliminary tool for assessing heat extraction efficiency in ATE systems. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

土壤中热量传输计算的研究进展与展望

土壤中热量传输计算的研究分为土壤热通量计算方法和土壤导温率计算方法两方面的成果. 目前已有土壤热通量的计算方法, 在土壤表层可以得到较好结果, 但在土壤深层的适用性无法确定. 多孔介质模型和考虑水的渗流造成的影响, 是多年冻土区土壤导温率的计算方法的研究方面新的进展. 为研究青藏铁路沿线冻土演化趋势找到合适的土壤热量传输计算方案, 应是今后工作的一个重点.     

西北太平洋边缘海热流特征研究

西北太平洋各边缘海及其相应俯冲系统受深部构造活动等地质条件的控制,热流变化较大。在收集整理该区域最新的热流数据基础上,重点探讨西北太平洋俯冲带热结构相关理论、边缘海大洋岩石圈热演化理论模型和局部高异常热流的影响因素,总结了西北太平洋边缘海热流所反映的地质意义。研究结果表明,在西北太平洋“沟-弧-海”体系中,从“沟”到“弧”再到“边缘海”,热流密度呈“低-高-较高”的变化趋势,弧后地区整体表现为“均一高热”特征;千岛海沟、日本海沟和琉球海沟热流密度值在30.0 mW/m²左右,而对应的岛弧值为其2~3倍。弧后热流大小受到汇聚型俯冲带热结构的影响,俯冲带脱水作用导致的弧后上地幔黏度变化,地震速度降低,岩石圈弹性厚度减薄,引起小尺度地幔对流,形成弧后“均一高热”的热状态。热流的时空分布与岩石圈年龄也有关,随着岩石圈年龄增大,地表热流密度值会随之降低,热流密度值大小和离散性与其形成时间大致呈负相关。鄂霍次克海形成时代(30~65 Ma)较早,其热流密度值(86.8 mW/m²)和离散性(标准差3.727)相对较低;冲绳海槽目前还处于扩张阶段,其热流密度值(139.0 mW/m²)和离散性(标准差7.001)较高。浅层的地下水循环、断裂活动,深层的地幔部分熔融岩浆活动、弧后小尺度地幔对流、俯冲带拐角流等对局部异常热流起到一定程度的控制作用。     

含水层热量运移中自然热对流作用的数值模拟

较严密地推导了能够描述含水层热量运移中自然热对流作用的水流方程和热量运移方程,并在此基础上建立了一个三维非线性模型.根据模型的特点,提出综合采用Douglas Brian ADI差分法、特征线法返回技术及改进Picard迭代法求解,并给出了计算步骤.模型及数值方法用于模拟上海第二承压含水层中的一个群井储能试验.试验中的自然热对流作用得到了较好的体现,反映出模型合理可靠,方法有效,结果令人满意.     

青藏高原沼泽草甸活动层土壤热状况对增温的响应

在人类活动和气候变化的双重影响下, 青藏高原高寒湿地生态系统发生巨大变化, 尤其是引起地气间水能循环过程发生改变. 基于高寒沼泽草甸布置的3处样地(OTC-1、 OTC-2和Control)一年的观测数据, 分析短期增温对活动层土壤温度变化过程的影响. 结果表明: OTC-1和OTC-2年均气温分别增加了6.7 ℃和3.5 ℃, 日间气温增加显著, 而夜间气温基本保持不变, 从而加大了气温日较差. 增温促进植物的生长发育, 使OTC内地上生物量要显著高于室外. OTC-1年平均地温要明显高于室外, 而OTC-2地温与室外基本相当, 这些主要受到OTC结构及植被热隔绝作用的影响. OTC-1总积温随着深度的增加不断降低, 且在5 cm、 20 cm深度总积温为正值, 而OTC-2和Control在土壤浅层略有降低, 65 cm深度以下基本趋于一致. 该研究结果将对研究高寒生态系统水热过程和碳排放具有一定的参考价值.