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。     

集安市浅层地热能开发利用可行性评价

通过水文地质调查、水文地质钻探、水文地质试验方法对集安市潜层地热能开发条件进行评价。根据水文地质试验结果及地下水位动态资料,评价区为不适宜区。通过计算可以得到较适宜开发区的地下水换热功率,单位面积地热能容量及地热能储量,为评价区开发利用规划制定技术支撑。     

地下水渗流对地埋管换热影响研究

为研究地下水渗流对地埋管换热的影响,搭建地埋管换热研究试验台,模拟不同地下水流速(0 m/a、100 m/a、200 m/a)条件下的地埋管换热器,通过试验数据分析得出:随着地下水流速的加大,将更多的热量带到下游,地埋管换热器的换热量和综合导热系数逐渐增加,对上、下游温度变化作用更明显,水流方向的热影响半径依次变大。地埋管换热器工程建设中应注重前期水文地质条件的勘察,对整个地源热泵系统工程能长期稳定运行起到关键作用。     

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%。     

郑汴新区中细砂含水层水源热泵井回灌新技术

在郑汴新区中细砂含水层中,通过新、旧回灌技术的现场试验对比研究发现,新回灌技术在成井时间、回灌量等方面大大优于旧(传统)回灌技术;单位回灌量、抽灌比大为提高,回灌稳定时间大为缩短,并对其原因进行了分析探讨.依据多落程(升程)的抽水、回灌现场试验,建立了回灌量与水位、井距关系方程.依据本研究成果,在郑汴新区一带地下水源热泵系统可实现一抽一灌的地下水换热模式,换热系统(室外)费用节约率可达50％,基本上解决了中细砂含水层回灌困难的老问题.     

导热与导热-渗流作用下浅层地能热量输运数值模拟

现用于浅层地能热量输运的地下传热模型忽略了地下水迁移对传热的影响。依据TOUGHRE-ACT模拟程序中质量与能量守恒原理,建立了多相流热渗耦合条件下地下热能输运数学模型。在此基础上建立了换热井群模型,模拟了导热及渗流作用下换热井群夏季制冷工况的瞬态温度场。模拟结果显示,地下水渗流流速及方向对热量传输影响较大。渗流流速为0.1 m/s时,温度场的瞬态特征显著;渗流流速达到0.5 m/s以上时,温度场的瞬态特征逐渐消失。渗流流速的方向性使换热井群温度场分布也呈现出显著的方向性,在布置换热井群时应在平行地下水渗流方向上增加井间距,而在垂直于地下水渗流方向上减小井间距。2种传热作用相比:在导热作用下换热井群产生热堆积,温度场整场接近饱和;在渗流作用下各换热井的能效系数在20 d后基本处于稳定状态。     

淮北平原浅部地下水换热系统适宜性评价

安徽省淮北平原广泛分布着宜于利用的浅层地热能,具有以地下水换热方式开发利用的前景。本文利用层次分析(AHP)法,以MapGIS、Access为平台,评价安徽省淮北平原浅部(评价深度50m)地下水换热系统适宜性。参考国内外最新研究成果,结合评价区地质环境特点,在评价因素分类、等级划分和评价指数分级等方面进行了深入研究,评价结果体现了浅部孔隙水系统的基本特点,具有较强的规律性。     

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。     

南阳市区浅层地热能的分布利用条件

分析南阳市区浅层地热能资源分布规律,对编制开发利用规划,科学利用浅层地热能,对市区内进行地埋管地源热泵换热系统和地下水热泵系统适宜性分区,同时对区域浅层地热能进行评价,为南阳市城区浅层地热能缓解协调发展,可持续利用及发展规划提供依据。     

Optimizing the design of a geothermal district heating and cooling system located at a flooded mine in Canada

Flooded underground mines are attractive for groundwater heat pump systems, as the voids created during mining operations enhance the subsurface permeability and storage capacity, which allows the extraction of significant volumes of groundwater without requiring extensive drilling. Heat exchange at a flooded mine is, however, difficult to predict because of the complex geometry of the underground network of tunnels. A case study is presented here to demonstrate that numerical simulations of groundwater flow and heat transfer can help assess production temperatures required to optimize the design of a heat pump system that uses mine water. A 3D numerical model was developed for the Gaspé Mines located in Murdochville, Canada, where a district heating and cooling system is being studied. The underground mining tunnels and shafts are represented in the model with 1D elements whose flow and heat transfer contributions are superimposed to those of the 3D porous medium. The numerical model is calibrated to simultaneously reproduce the groundwater rebound that occurred when the mine closed and the drawdown measured during a pumping test conducted in a former mining shaft. Predictive simulations over a period of 50 years are subsequently performed to minimize pumping rate and determine maximum heat extraction rate.     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

冻结层上水的分布及工程影响研究现状与展望

作为一种多年冻土区的特殊水文地质现象,冻结层上水（或多年冻土层上水）的分布受局地因素的控制,且随活动层的季节性冻融而变化,影响地表水和地下水循环以及多年冻土环境中的水热平衡。多年冻土将冻结层上水限制在一个狭窄的空间内,在暖季冻结层上水侧向和竖向的渗流传热将加剧多年冻土的退化,也会对上覆工程构筑物的稳定运营造成极大威胁。目前关于冻结层上水的研究主要集中在分布特征、变化规律、流量计算、渗流模拟、水热耦合等方面。研究发现：在全球升温背景下,多年冻土退化速率加剧,随着冻土厚度变薄和融区出现,冻结层上水的流量及其与地下水的交换量均发生变化,除了影响局地水文特征外,还与工程病害密切相关,如坡脚积水、路基沉降以及路面裂缝等。以区域分布特征为出发点,对冻结层上水的研究现状进行了归纳和总结,并对其工程影响有关的渗流传热理论研究成果进行了梳理,对今后需要进行深入研究的方向进行了展望。这有助于全面理解冻结层上水在冻土区水文过程中的功能,为相关研究提供了进一步的理论参考。     

Heat transfer modelling of the Leibnitzer Feld aquifer,Austria

The impact of groundwater heat pumps on groundwater temperature is simulated by means of a 2D numerical groundwater model in the Leibnitzer Feld aquifer, Austria. The model provides a basis for assessing the regional use of groundwater temperature as an energy source. Since the groundwater table is shallow, the air temperature represents the main source controlling the groundwater temperature. A temperature input function depending on the depth of the groundwater table is delineated from an observed soil temperature profile and the air temperature. Given the diffuse and ubiquitous nature of the heat input, the heat exchange is implemented as a third type boundary condition to enable two-way heat transfer. The temperature of the reinjected water is limited to a decrease of 5 K and an absolute minimum of 5°C by Austrian law. The pumping rates needed to cover the heat requirements of three typical users are determined for selected locations. It is shown that the reduction of the ambient groundwater temperature approximately 300 m downstream of the reinjection wells is less than 0.5°C. Thus it can be concluded that aquifers in similar settings show substantial potential to provide heating and warm water supply for buildings without deteriorating the regional groundwater temperature regime.     

热流测量中垂向地下水运动干扰的校正方法

本文提出了一种地表热流测量中垂向地下水干扰的校正方法。并以江西萍乡和福建安溪的二个钻孔为例,说明了热流校正的具体过程。由于地下水对流传热的影响,垂向地下水渗透层内温度和热流随深度均呈指数分布。通过对钻孔测温数据的一维垂向Peclet数分析,可以确定渗透层内传导和对流热流分量以及热流的构成,从而得到未受地下水对流干扰的区域背景热流。这一方法不仅适用于渗透率结构均一的介质,也可用于水平层状介质。     

桩埋管参数对渗流下能量桩热-力耦合特性的影响

为获得地下水渗流作用下桩埋管参数对能量桩热-力耦合特性的影响,建立了不同埋管参数的能量桩数值模型,分析了桩埋管数量、埋管布置形式、埋管管径对单位桩深换热量、日换热量、桩截面平均温升、桩身位移增量及桩身附加温度荷载的影响。结果表明：增加埋管数量可以增大能量桩换热量,但也会加剧桩内不同埋管间的热干扰,导致换热性能下降及桩身...     

Simulation of heat transfer performance using middle-deep coaxial borehole heat exchangers by FEFLOW

Due to its large heat transfer area and stable thermal performance,the middle-deep coaxial borehole heat exchanger (CBHE) has become one of the emerging technologies to extract geothermal energy. In this paper,a numerical modeling on a three-dimensional unsteady heat transfer model of a CBHE was conducted by using software FEFLOW,in which the model simulation was compared with the other studies and was validated with experimental data. On this basis,a further simulation was done in respect of assessing the influencing factors of thermal extraction performance and thermal influence radius of the CBHE. The results show that the outlet temperature of the heat exchanger decreases rapidly at the initial stage,and then tended to be stable; and the thermal influence radius increases with the increase of borehole depth. The heat extraction rate of the borehole increases linearly with the geothermal gradient. Rock heat capacity has limited impact on the heat extraction rate,but has a great influence on the thermal influence radius of the CBHE. When there is groundwater flow in the reservoir,the increase of groundwater velocity will result in the rise of both outlet temperature and heat extraction rate. The heat affected zone extends along with the groundwater flow direction; and its influence radius is increasing along with flow velocity. In addition,the material of the inner pipe has a significant effect on the heat loss in the pipe,so it is recommended that the material with low thermal conductivity should be used if possible.     

浅薄含水层水源热泵井群设计方案研究

以某地下水源热泵系统工程为例,依据实测渗水试验及抽水一回灌试验数据,建立研究区地下水流数值模拟模型,分析了该地区适宜的井群布置方式及井间距,并定量研究了该布置方式下对地下水流场的影响,为该地区浅薄含水层地温能资源的开发利用提供技术支撑。结果表明：该类浅薄含水层地温能开发利用井群布置方式中,抽水井布设在地下水流场的下游、回灌井布设在地下水流场的上游更为适宜,合理井间距确定为110m;在适宜井间距条件下,对水位最大影响范围约为6．50km2,温度变幅大于1℃的最大范围约为0．28km2。     

矿井底板破碎带温度场模型推导及模拟分析

为了研究矿井底板破碎带温度场对地下水的响应机制,运用热传导理论,结合数学物理方法,建立了垂向水流作用下岩体温度场模型和地下水、空气等多热源作用下岩体过余温度分布模型,并求出了相应模型的温度、温度梯度及过余温度解析解。结果表明：沿着地下水径流方向,起始段的岩体温度梯度值一般较小,而终止段的温度梯度值则一般较大;当温度梯度与地下水流动方向相反时,岩体温度梯度变化幅度较小;回采工作面接近含导水构造时,距离导水构造越近,同一时刻岩体过余温度增大越迅速,体现在温度曲线的曲率相应增大。在一定范围内,地下水对矿井岩体温度梯度及过余温度影响显著。     

Groundwater recharge and discharge processes in the Jakarta groundwater basin, Indonesia

Proper management of groundwater resources requires knowledge of the processes of recharge and discharge associated with a groundwater basin. Such processes have been identified in the Jakarta groundwater basin, Indonesia using a theory that describes the simultaneous transfer of heat and fluid in a porous medium. Temperature-depth profiles in monitoring wells are used to determine the geothermal gradient. To examine the rules of groundwater flow in the distortion of the isotherms in this area, several methods are compared. Subsurface temperature distribution is strongly affected by heat advection due to groundwater flow. Under natural flow conditions, the recharge area is assumed to occur in the hills and uplands, which are located on the periphery of the Jakarta basin, and the discharge area is located in the central and northern part of the Jakarta groundwater basin. A transition area, which could act as local recharge and discharge areas, occupies the middle of the lowland. Subsurface temperatures show good correlation with the groundwater flow conditions, and the data yield important information on the location of recharge and discharge areas.