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人类进入21世纪以来,全世界比以往任何时候都更加关注能源、环境和可持续发展三者的关系,寻求一条可持续发展的道路。然而,随着人类活动强度和范围的逐步增大,煤炭、石油、天然气等常规资源已经无法满足人类对能源的需求,这些资源的使用也对人类的生存环境造成了很大的负面影响,寻找可以替代常规能源的新能源迫在眉睫。目前,新能源主要包括地热能、风能、核能、太阳能、生物质能等。而浅层地热能做为地热能的一个分支,有着分布广泛、使用成本低等特点,从一出现就备受关注。随着世界形势的改变,对于我国这样的发展中国家来说,为实现社会的可持续发展,无污染的可再生能源已经成了当前的能源利用的首选。地下水源热泵作为浅层地热能最常用利用手段的一种,在国内的开发和使用已经较为广泛。
三门峡市地处河南、山西、陕西三省交界处,四季分明,夏季炎热,冬季寒冷,具备利用地下水源热泵进行供暖和制冷的气候条件。自20世纪末就开始引进地下水源热泵设备,截至2008年底,三门峡市共有地下水源热泵利用设备40余套,应用建筑面积达到90万m2。但由于最初的工程设计多较粗糙或照搬别处的设计,导致三门峡市很多的地下水源热泵利用系统或利用效率低下,或回灌孔堵塞导致地下水的无序排放,或造成地面沉降、水位下降等各种问题。因此,如何有效地提高地下水源热泵的利用效率并避免或减少其系统运行中引发的问题具有重要的研究意义。
为了掌握不同的抽灌比、抽灌井间距、抽灌井布局、抽灌量等条件对多井抽灌系统运行效率的影响,本研究根据三门峡市某地下水源热泵利用系统场区的水文地质资料和相关文献概化的水文地质模型,利用FlowHeat模拟软件开展不同抽灌比、布井方式、井间距、抽灌量条件下地下水源热泵利用系统的水热模拟工作,评价分析各种不同条件对地下水源热泵利用系统含水层温度场的影响及“热贯通”的影响。本研究结果可为三门峡地区地下水源热泵工程优选出合理的抽灌井间距、抽灌井布局、抽灌比等条件,为三门峡市该地下水源热泵利用系统的运行和维护提供参考意见,为三门峡市乃至全国地下水源热泵利用系统的设计安装提供参考和借鉴。
本文在资料汇总和模拟结果研究的基础上得出如下结论:
(1)其他条件一致时,单井抽灌率低的抽水井水温变幅较小,也即“热贯通”程度随单井抽灌率的降低而减小。
(2)抽、灌井的位置布局,对于地下水源热泵系统的实用性、经济性至关重要,也是影响热贯通现象的重要因素。在各基础条件一致的情况下,抽水井位置布局会影响到地下水源热泵利用系统的“热贯通”现象。一般来说,当抽水井被回灌井包围时,也即抽水井位于抽灌井井群内部时,“热贯通”程度较高;而当抽水井位于抽灌井群边缘时,“热贯通”程度低。
(3)相邻抽灌井间距和抽灌量是地下水源热泵系统设计中最重要的两个参数。在其它条件不变的情况下,抽水井水温变幅随相邻抽灌井间距变大而减小;在其它条件不变的情况下,抽水井水温变幅随抽灌量的增大而增大,在特定条件下,抽灌量与抽水井水温变幅成正比关系。
(4)河南省三门峡市该地下水源热泵利用系统,在均匀布井、运行期设为整个制冷期、单井抽水量1440m3/d、单井回灌量720m3/d条件下,一抽二灌、二抽四灌各布井方式的合理井间距应控制在40m左右。
本研究首次通过模拟“热贯通”现象的影响因素来探讨地下水源热泵利用系统的井群布设、抽灌量和抽灌井间距等条件的优化。该研究成果对三门峡市乃至全国地下水源热泵系统的设计、勘查、试验及运行工作均具有重要的借鉴和指导意义,也可为解决运行中由“热贯通”产生的各种问题,制定和完善地下水源热泵的各项标准、规范等起到积极的参考作用。