浅层水源热能论文（精选5篇）
浅层水源热能论文 篇1
1 浅层水源热能的开发利用现状
张掖市浅层水源热能开发利用时间大致起始于2002年, 据不完全统计, 截至2007年, 张掖市已推广水源热泵用户11户, 供热面积21.17万m2, 2008年至今又确定使用水源热泵用户6户, 计划供热面积15.63万m2, 累计供热面积达36.8万m2, 呈现出良好的发展势头。到目前为止一般都是建设单位的自主行为, 在开发利用上存在很大的盲目性。一些施工单位或空调供应商凭经验、凭想当然选择水源热泵的应用方式, 致使大部分项目勘查、评价力度不够, 因而缺乏设计的完整性和科学性。
水源热泵技术经过几十年的发展, 已经比较成熟, 但仍然存在一些问题, 在张掖城区最突出的是回灌不足造成水资源浪费, 再者就是抽水井与回灌井间距不合理可能引起的热短路效应, 降低水源热泵系统利用效率。
2 资源概况
张掖矿产资源和太阳能、风能、水能储量丰富, 开发条件好、潜力大。祁连山西段是国家确定的12个重点找矿区之一, 现已探明的矿藏有钨、钼、铁、铜、煤等33种, 其中钨钼远景储量居全国前列, 铁、石膏、萤石、煤资源量分别占全省的85%、87%、67%和12%。可利用水能资源350万kW, 风能资源500万kW, 光能、生物质能开发前景广阔。目前, 水电、火电装机容量150万kW, 年发电量60亿kW时, 是全省电力输出市。为水源热泵系统运行提供了充足的电力保证。
根据国家人口规模预测的有关标准, 结合张掖的人口和土地使用现状情况, 确定城市远期用地规模约为53.35km2, 2020年城市人口达45.4万人。人均规划建设用地控制在117.53m2, 并从远景发展的角度预留50~60万人口的用地需求。
3 水文地质概况
3.1 水文地质条件
地下水的演化主要是气候变化和构造运动的结果。黑河流域的地质构造运动, 自中生代以来进入一个统一的、以强烈差异性断块运动为主的发展时期, 其造成的地形差异影响着自然和水文地质环境的变化, 在地下水演化中起着重要的作用, 由此奠定了现代地下水系统的基本格局。
张掖盆地是北祁连地槽褶皱系走廊过渡带的一个中新生带断陷盆地, 地下水主要赋存于中上更新统巨厚砂砾卵石层中, 其沉积结构具有典型的山前倾斜平原自流斜地水文地质特征, 自山前倾斜平原至城区南侧为单一潜水分布区, 含水层厚度大于300m, 渗透系数50~300m/d, 单井涌水量大于5000m3/d。城区北部为多层型承压水区, 含水层仍为砂砾卵石, 颗粒粒径略细, 其上及其间夹有亚粘土及砂, 单井涌水量3000~5000m3/d, 城区北部单井涌水量小于3000m3/d, 如图1所示。地下水埋藏南深北浅, 南部山前水位埋深可达200m, 至洪积扇前缘渐变为5~30m, 城区及其以北地段一般小于3m。
地下水自南而北运动, 水力坡度南部为8‰~10‰, 北部为2‰~5‰。地下水主要消耗于洪积扇前缘带的泉水溢出、蒸发蒸腾及机井开采, 其中泉水溢出占总排泄量的76%~82%。
城区地势西南高北东低, 第四系沉积物具典型的二元结构。表层亚砂土厚度自西向东由西二环路的1m左右增至东环路的7~8m, 相应的下伏导水性良好的卵石层埋深由1m左右增至7~8m。大致在县府街至南北大街之间存在一个卵石埋深突变带, 县府街至西二环埋深梯度0.14% (2m/1450m) , 县府街至南北大街之间卵石埋深梯度0.35% (2m/570m) , 南北大街至东环路卵石埋深梯度0.33% (3m/920m) (图2a) 。南北方向上, 大致以南北大街为轴线, 卵石埋深自南而北渐深, 由南部南环路的1.1~4.6m增至北环路的2.0~5.8m (图2b) 。钻孔揭露第四系厚度大于160m, 物探资料推断第四系厚度大于800m。
3.2 含水层结构及水温
依据含水层的地层时代及水力性质, 自上而下可分为三个含水层组。
1) 上部全新统潜水含水层组, 主要分布与城区以北, 水位埋深一般1~10m, 北部局部地段小于1m, 由西南向北东渐浅, 如图3所示。含水层岩性为各类砂、其间夹亚砂土、亚粘土, 厚度一般小于20m, 水温一般大于15℃。
2) 中部上更新统浅层承压水含水层组, 分布普遍, 厚度一般50~60m, 水位埋深1~3m, 承压水顶板埋深15~20m, 含水层岩性为泥质砂砾卵石、砂砾石, 水温一般12~13℃, 较为稳定, 便于开采。渗透系数100m2/d, 单位涌水量1485m3/d·m, 导压系数7097m2/d。
3) 下部中更新统深层承压水含水层组, 分布普遍, 水头埋深2.2~8.7m, 含水层厚度60~80m, 顶板埋深75~80m, 隔水顶板岩性为亚粘土, 厚度2~4m。含水层岩性为泥质砂砾卵石及砂砾石, 水温一般12~13℃, 较为稳定, 开采深度较大, 为城市供水水源地主要开采层位。渗透系数57m2/d。单位涌水量1485m3/d·m, 导水系数4468m2/d, 弹性释水系数2.64×10-4。
含水层粒度总的变化趋势是由南西向北东方向逐渐变细, 主要含水层由砂质砾卵石、砂砾卵石过渡为泥质砂砾卵石、砂砾石。
3.3 地下水动态
城区附近的潜水与其北、东部 (冲洪积扇下游细土平原区) 的浅层承压水的动态特征具一致性, 即1) 地下水动态年内具同步性, 主要影响因素为灌溉和开采, 以河水灌溉为主的地段, 5~10月的灌溉期为“箱”形高水位期;以开采地下水灌溉为主的地段, 5~8月的开采期为“谷”型低水位期。2) 地下水位多年动态相对稳定, 降速0.02~0.04m/a。
3.4 城区地下水水质
城区80m以浅浅层水水质分析结果:pH7.3~8.0;总硬度 (以CaCO3计) 194.2mg/l, 溶解性总固体361.7mg/l, 硫酸盐46.1mg/l, 氯化物12.1mg/l, 总铁0.13mg/l, 高锰酸钾指数2.22mg/l, 硝酸盐氮1.28mg/l, 亚硝酸盐氮0.14mg/l, 氨氮0.016mg/l。上述指标满足水源热泵用水要求。
城区80m以下深层承压水水质分析结果:pH7.7~8.0;总硬度 (以CaCO3计) 192.2~235.2mg/l, 溶解性总固体376.4~426.7 mg/l, 硫酸盐55.7~74.9mg/l, 氯化物17.17~23.4mg/l, 总铁0.09~0.28 mg/l, 高锰酸钾指数0.39~0.48mg/l, 硝酸盐氮1.45~2.06mg/l, 亚硝酸盐氮0.0006~0.0015mg/l, 氨氮0.016mg/l。上述指标满足水源热泵用水要求。
4 浅层热能评价
4.1 地下水换热系统浅层水源热能计算
张掖市浅层水源热能开发利用虽起始于2002年, 但缺乏导热系数、比热容、单井回灌量及合理井间距试验资料, 在近几年实际运行中, 抽水井与回灌井数为1∶2, 井间距一般为30~50m, 有待进一步试验后推广或改进。本次计算采用中国地源热泵发展研究报告[1] (2008) 推荐的经验值或实测数据。地下水的比热C:4180J/kg.℃, 密度ρ:1000kg/m3, 水的温差△T:7℃, 地下水循环量m:80m3/h。则地下水换热系统浅层地热能D (kw) 的计算公式表示为:
D=mCρ△T×2.78×10-4
经计算, 在上述工况下, 地下水浅层水源热能为650.22kW, 冬季热负荷, 一般民用住宅建筑为45~70W/m2, 若按60W/m2计, 则上述热能可满足10837m2建筑面积取暖, 即1眼80m3/h的抽水井和2眼40m3/h的回灌井可满足10846m2建筑面积供暖1h。
4.2 热储法计算热能储存量
在含水层和相对隔水层中, 地热能储存量按下式计算:
QR=QS+Qw
式中:QR——地热能储存总量, kJ;
QS——岩土体中的热储存量, kJ;
Qw——岩土体所含水中的热储存量, kJ。
其中QS的计算公式:
QS=ρSCS (1-ϕ) MdΔT
式中:ρS——岩土体密度, 1750kg/m3;
CS——岩土体比热容, 1.6×106kJ/kg.℃;
ϕ——岩土体的孔隙率, 0.35;
M——计算面积, 26.5×106m2 (取城区规划面积的50%) ;
d——计算厚度, 75m (水面至计算深度) ;
T——利用温差, 7℃。
其中Qw计算公式:
Qw=ρwCwϕMdΔT
式中:ρw——水密度, 1000kg/m3;
Cw——水比热容, 4180J/kg·℃。
其他符号意义同前。
根据已有实测数据或经验数据确定岩土体、水体的热物理参数 (比热等) 。经计算, 城区计算面积一半内岩土体的热储量为2.53×1019kJ;水体的热储量为3.78×1016kJ;则城区地热能储存总量2.53×1019kJ。
地下水源热泵井组的井型、井数和回灌方式随场地所处的水文地质分区而变化。城区以南为大厚度单一潜水含水层, 地下水温和水头稳定, 渗透系数大, 易于回灌, 所取得的常规水文地质参数为钻孔抽水试验获得。一般情况下, 单个的地下水源热泵工程涉及的平面范围不大, 可以假定含水层在横向上是均匀的, 但是如果规模很大, 水文地质条件会有一定的变化, 如前已述及的城区自南而北含水层颗粒变细, 城区北部则需要加大勘察评价力度, 获得较为详细的水文地质参数。
建筑物的采暖和供冷需求也是水文地质设计的重要参考信息, 它决定了地下水的抽吸水量、抽灌井水的地面温差、热泵运行周期等。因此, 在水文地质设计之前, 必须进行建筑物的热力学设计, 以提供两者的耦合参数。地下水源热泵的大面积推广最好是把水文地质设计与热力学设计结合起来。
5 环境影响评价
5.1 浅层水源热能开发对环境的影响
浅层地热能是指地下200m以内土壤和地下水中所蕴藏的地温热能, 采用热泵技术进行采集利用后, 不仅可以供暖, 还可以制冷。和其他能源相比, 浅层地热能具有分布广泛、可循环再生、储量巨大、可就近利用等优点, 是一种清洁能源。随着我国经济快速增长, 能源形势日趋严峻。在节能减排呼声日益高涨的今天, 浅层地热能作为一种非常重要的新型能源, 它的开发利用成为实现可持续发展的一个重要途径, 而地源热泵技术无异于“雪中送炭”, 使浅层地热能的利用和开发成为可能。
目前这项技术较成熟, 国家也出台了相应的设计规范《地源热泵系统工程技术规范GB503662005》, 规范地下水、地表水、土壤源热泵的设计行为。
据有关材料显示, 截至2009年6月, 我国应用浅层地热能供暖制冷的建筑项目已经有2236个, 建筑面积近8000万m2, 其中80%集中在京津冀辽等华北和东北南部地区。2008年, 我国通过开发利用浅层地热能, 实现二氧化碳减排1987万t。今后五年内, 我国还会在建筑领域加大对地下200m以内浅层地热能的开发利用, 进一步促进节能减排。
通过减少常规能源的消耗, 可再生能源系统可以有效减轻对环境的负面影响。地下水源热泵系统在工作过程中不会向环境产生任何排放物, 也不会对地下水产生污染, 系统引起的地下水温度变化对环境的负面影响尚未见报导。因此, 本项目采用的可再生能源系统不会对环境产生有害影响。
据测算, 采用地源热泵每供热1万m2, 可节约标准煤332t, 减少烟尘排放1.75t, 减少二氧化硫排放4.1t, 减少二氧化碳排放830t。按张掖市已经推广使用面积21.17万m2估算, 已实现年节约标准煤7028.44t, 减少烟尘排放37.05t, 减少二氧化硫排放86.80t, 减少二氧化碳排放17571t.水源热泵节能减排效果明显。
5.2 环境保护措施
回灌是地下水源热泵的关键技术。在面临地下水资源严重短缺的今天, 如果地下水源热泵的回灌技术不成熟, 不能将井水100%的回灌到含水层中, 将带来一系列的生态环境问题;如地下水位下降, 含水层疏干、地面下沉、河道断流等, 致使已不乐观的地下水资源雪上加霜。为此地下水源热泵必须有可靠的回灌措施来支撑。
要积极研究和探索回灌方法, 如定期回扬、辐射井回灌、同井回灌、设置缓冲水池 (水箱) , 加压回灌, 增加回灌井的数量, 抽水井与回灌井互换。另一方面要加强管理, 严格检测回灌量。为此要加强回灌方式、抽灌井布设间距及回灌量研究。
要优先选择渗透系数大、厚度大、地下水温度和水头稳定而埋深较浅的含水层作为取水目的层, 在城市水源地保护区, 还必须遵守相关保护规定。对城区北部多层结构含水层区要加强常规的水文地质参数和热力学参数试验研究, 分区布设长期观测孔, 以期对水源热泵运行前后地下水动力场、温度场变化规律有深入研究。
要加强地下水源热泵的热力学参数研究, 包括背景温度、粘度、比热、孔隙度、导热系数、纵向弥散度、横向弥散度、固体颗粒比热等。
建筑物的采暖或供冷需求也是水文地质设计的重要参考信息, 它决定了地下水的抽汲流量、抽灌井水的地面温差、热泵运行周期等。在水文地质设计之前, 必须进行建筑物的热力学设计, 以提供两者的耦合参数。地下水源热泵的优化最好是把水文地质设计与热力学设计结合起来进行。
要加强运行管理, 对渗透性能较低的含水层 (如细砂) 应做到至少每日回扬一次, 定期观测回灌井水位, 监控有效半径变化, 定期采取水样进行测试分析。
虽然地下水源热泵技术经过几十年的发展, 已经比较成熟, 随著时间的推移和大面积推广使用, 环境问题将会越来越明显, 上述措施将对环境保护起到积极的促进作用, 也必将使张掖市水源热泵技术大面积推广使用起到积极的示范作用, 进而推动全国类似地区水源热泵技术的推广。
6 结论
张掖市城区具有丰富的浅层低温地热资源, 初步估算可达2.53×1019kJ, 水量充足、水温适当、水质良好、供水稳定、回灌可靠。城区80m以浅浅层承压水是理想的取水采暖制冷层位, 具备规模化推广水源热泵技术的水文地质条件。
参考文献
[1]徐伟.中国地源热泵发展研究报告 (2008) [M].中国建筑工业出版社.
衡水市区浅层地热能评价 篇2
目前衡水市区浅层地热能资源的开发利用处于起步阶段, 地源热泵对地质条件适宜性尚未进行过系统评价, 对适用何种地下换热装置尚未取得可靠、科学的设计依据。衡水市区浅层地热能资源评价可以为衡水市区浅层地热能合理开发利用提供科学指导, 对促进衡水市区浅层地热能的利用及地源热泵的推广具有十分重要的意义。
1 浅层地热能开发利用条件
1.1 水文地质条件
衡水市区位于华北平原中部, 上部地层为第四系沉积物。市区内现有的地下水式地源热泵系统, 其钻井利用段为咸水底板至250m左右。水文地质条件为:咸淡水界面在60~90m范围内, 上部咸水, 矿化度一般为2~5g/L, 部分7~10g/L。咸淡水界面至250m为淡水含水层, 其矿化度一般小于1g/L。埋深250m以上含水层岩性平面分布特征为:以中细砂、中砂为主的含水层分布在衡水市区西南部, 以细砂、粉细砂为主的含水层分布在衡水市区东北部。富水性分区由东南至西北分为四个分区, 依次为小于5m3/ (h·m) 、5~10m3/ (h·m) 、10~15m3/ (h·m) 、大于15m3/ (h·m) 。
1.2 地温条件
根据现场热响应试验, 确定衡水市区恒温带深度为25m, 恒温带温度为15.7℃。地温梯度变化不大, 每百米一般为2.0~3.2℃。东低西高, 100m深度地温在16.6~17.4℃之间, 200m深度地温在18~20.5℃之间。平面分布特征为东低西高。
2 浅层地热能试验
2.1 现场热响应试验
现场热响应试验在衡水市区东部进行。试验项目测试分别进行2个排热工况和2个取热工况, 再加上初始工况, 共计5个工况。
根据试验数据, 可以绘制出地下换热量q随埋地换热器管内流体平均温度tf的变化关系, 此关系呈线性变化规律, 基本公式为:
q=4.6484tf-81.551
式中:q—地下换热量, W/m;
tf—埋地换热器管内流体平均温度, ℃。
对于100m深度双U型埋地换热器地源热泵系统的夏季应用情况, 当流体平均温度为30℃时, 单位计算面积的浅层地热能可利用量undefined。
对于100m深度双U型埋地换热器地源热泵系统的冬季应用情况, 当流体平均温度为8.5℃时, 单位计算面积的浅层地热能可利用量undefined。
2.2 抽水回灌试验
抽水回灌试验选择施工2眼水井, 1眼作供水井, 1眼作回灌井, 2眼井间距32.15m, 呈南北向分布, 井深均为240m。井深结构相同均为水泥管, 井管内径300mm。利用含水层5层56m。
(1) 抽水试验。
影响半径计算公式:
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式中:R—抽水井影响半径, m;
sw—抽水井的水位下降值, 6.86m;
r1—观测井至抽水井中心距离, 32.15m;
s1—观测孔水位下降值, 2.12m;
rw—抽水井半径, 取0.15m;
渗透系数计算公式:
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式中:K—含水层渗透系数, m/d;
Q—抽水井的涌水量, 取655.2m3/d;
m—含水层厚度, 取56m;
试验结果:影响半径R为354.57m, 渗透系数k为2.106m/d。
(2) 回灌试验。
抽水试验结束后, 进行了回灌试验, 回灌量分别按三个定流量进行。根据本次回灌试验结果, 抽水量为27.3m3/h时, 最大回灌量为17.8m3/h, 回灌量与抽水量百分比为65.2%, 最大单位回灌量与单位涌水量百分比为5.6% (见表1) 。
3 浅层地热能开发利用现状与区划
目前衡水市区有浅层地热能工程6处, 全部为地下水式换热系统, 服务面积47000m2。
3.1 地下水式换热系统适宜性分区
根据《浅层地热能勘查评价规范》[1]DZ/T 0225-2009的技术指标进行地下水式换热系统的适宜性分区评价 (见表2) 。
衡水市区目前现有地下水式换热系统工程, 成井段大部分在咸水底板以下至250m左右, 该成井段平面上位于中砂、中细砂分布区, 单位涌水量大部分地区小于300m3/ (d·m) 。根据抽水试验及回灌试验, 该段最大单位回灌量与单位涌水量百分比为5.6%, 且衡水市区北部位于重要水源地保护区, 根据地下水换热方式适宜性分区标准, 衡水市区全部评价为地下水式换热系统不适宜区。
3.2 地埋管式换热系统适宜性分区
根据《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T 0225—2009的技术指标进行地埋管式换热系统的适宜性分区评价 (见表3) 。
衡水市区第四系埋深在450~470m之间, 200m以浅地层主要岩性为中细砂、细砂、粉细砂和亚粘土。根据地埋管式换热方式适宜性分区标准, 衡水市区内第四系厚度大于100m, 无卵石层, 200m以浅含水层厚度大于30m, 衡水市区三项指标同时符合适宜区的条件, 因此衡水市区全部为地埋管式换热系统适宜区。
4 浅层地热能资源评价
浅层地热能资源量评价包括浅层地热容量计算、地埋管换热功率计算和浅层地热换热功率保证程度评价。热容量采用体积法计算。地埋管换热功率用单位热流量法进行计算。
4.1 浅层地热容量计算QR=QS+QW式中:QR—岩土体热容量, kJ/℃;QS—岩土体中骨架的热容量, kJ/℃;
QW—岩土体中水的热容量, kJ/℃;
其中, QS=ρScS (1-φ) Md
Qw=ρwCwφMd
式中:ρS—岩土体骨架密度, kg/m3;
cS—岩土体骨架比热容, kJ/ (kg·℃) ;
φ—岩土体的孔隙度;
M—计算面积, 为适宜开发利用浅层地热能的土地面积, 取值80km2;
d—计算厚度, 取值175m (恒温带深度, 本区为25m~200m) ;
ρw—水密度, kg/m3;
cw—水比热容, kJ/ (kg·℃) 。
经计算, 衡水市区浅层地热能单位温差热容量为0.526×1014kJ, 相当于标准煤179.477×104t。地源热泵机组温标设计温差一般为3~5℃, 衡水市区浅层地热能利用温差按3℃计算, 热容量为1.576×1014kJ, 相当于标准煤537.746×104t。
4.2 浅层地热换热功率计算Ph=qkM×10-3式中:Ph—浅层地热换热功率, kW;
qk—单位面积换热功率, 根据本次现场热响应试验得出, 夏季取值295W/m2, 冬季取值214.2 W/m2。
经计算, 衡水市区地埋管式换热系统换热功率夏季为359.31×104kW, 冬季为260.90×104kW。
4.3 浅层地热换热功率保证程度评价
浅层地热换热功率保证程度与利用时间密切相关, 按夏季开始运行, 至冬季形成一个运行周期。根据衡水市区气侯条件, 浅层地热能利用时间取值, 夏季制冷按100天, 冬季供暖按120天, 每天按24h计。经计算, 衡水市区夏季地埋管换热系统换热量为2.018×1013kJ, 占利用方案容量的12.8%;冬季地埋管换热系统换热量为1.758×1013kJ, 占利用方案容量的11.2%。
通过上述分析, 无论夏季制冷排热, 还是冬季供暖取热, 浅层地热能换热量的开采是有保证的。况且夏季制冷排热使地层临时储热, 到冬季供暖取热又把热量从地层中取走, 形成夏储冬取循环利用方式。
5 节能减排
浅层地热能利用所产生的大气环境效益评价, 包括减少排放燃烧产物的估算。
根据计算, 衡水市区地埋管式换热系统换热功率夏季为359.31×104kW, 冬季为260.90×104kW。根据衡水市气候条件、各单位实际应用情况, 夏季可制冷面积3992万m2, 每年夏季可节电2.56亿kWh, 减少排放污染物二氧化碳23.56万t、二氧化硫0.18万t、氮氧化物0.06万t、粉尘0.09万t;冬季可供暖面积4348万m2, 节约燃煤39.37万t, 减少排放污染物二氧化碳102.36万t、二氧化硫0.79万t、氮氧化物0.28万t、粉尘0.39万t。全年可减少排放污染物二氧化碳125.92万t、二氧化硫0.97万t、氮氧化物0.34万t、粉尘0.48万t。
6 结论
浅层水源热能论文 篇3
首先,谈一下我自己对浅层地热能的理解。现在有很多数据报道说,中国的浅层地热能资源有多少,相当于标准煤多少,但这些数据的真正含义是什么?是否对我国浅层地热能资源利用有指导作用或者参考价值呢?我的回答是“没有”。
浅层地热能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m埋深),温度低于25℃,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的热能资源。把它归属为地热资源的一部分是可行的,但又不是完全的。怎么来理解呢?浅层地热能有别于传统的地热资源,传统的地热资源开发地球深层的能量,它来源于地球内部放射性元素的衰变。而浅层地热能则是由深部热能向上传导和太阳辐射共同作用的结果。我们原来所谈的地热资源,是当地年平均地热加上10℃,高于这个温度的资源就是传统的地热资源概念。浅层地热能实际上是我们日常所指的冷水资源,这里我谈的是地下水,不包括海水和污水。在计算的时候,比如把25℃的冷水降低2℃以后能够取出的热能资源叫地热资源储量的话,那么这个储量是变化的、可调节的、循环式的、可再生的。比如:25m深度以下的水温,冬天从地球内部取出热量到空气中用来取暖;到夏天的时候,我们是把空气中的热量通过一定的办法回灌到地下去。空气中的热量从哪儿来?一个是地表的热流所散发的热量;一个是太阳散发的热量。浅层地热能是双重概念的一个合成,一个是地球内部传导上来的热量,另一个是太阳能热量。因此不能说浅层地热能是恒温层以下,不受太阳能的影响。
接下来谈一下我国传统地热资源利用的情况及其存在的问题,从而为我国浅层地热资源开发利用提供经验。我国是世界上地热资源储量较大的国家之一,尤其是中低温地热资源,广泛分布于我国东南沿海、西南地区、胶东半岛、辽东半岛和大面积分布的沉积盆地。我国也是世界上利用地热资源较早的国家之一,至今已有2000多年的悠久历史。新中国成立以后我国进行了系统的地热资源勘查与开发,地热资源开发利用也进入了一个全新的阶段。但由于缺乏科学管理与规划,成就与问题并存,比如热储温度与压力持续下降、资源严重浪费、热害等环境问题、地面沉降等。
因此,在开发利用浅层地热能时,如何避免已经发现的问题?如何规范的开发利用浅层地热资源?这是我们应该重点考虑的问题。
我国地热资源的情况大致为:东南沿海和藏滇,以及北京、西安这些地区的地热资源非常丰富。其中,云南是利用温泉最多的省,有800多眼温泉。东南沿海的地热资源开发量也很大。因为像东南沿海、胶东半岛这些地区主要是以经营洗浴、疗养、旅游为主,而华北片区主要是用于种植、农业养殖。现在地热资源大规模地开发,我们国家在上世纪70年代、80年代这20年间对全国的地热资源进行了一次摸底评价,包括对温泉的情况、地热资源分布的规律、储量情况、温度情况调查。但20年之后,在地热资源开发中却出现了一些乱开采、乱打井的情况,有一些地区用80℃的水供暖以后,排出来的水是50多℃就直接排到污水沟,造成了严重的浪费。这些问题说明了什么?我们国家在地热资源的利用、勘察和管理方面存在很多的漏洞,浅层地热能资源可以说是一个新的领域,和地热资源比较起来,有一个非常明显的特征,就是可再生性。地热资源则不同,比如地下热水资源,如果你取出的这个热量大于地球深部向上传导的热量,温度就会下降;如果你取出的水量大于这个地区的地下水补给量,水位就会下降,水资源就会枯竭。因此在今后的管理上应该重视这项管理工作,加强地面以下资源的评价与勘察工作,坚决避免造成资源的枯竭现象。
第三点是关于浅层地热资源评价问题。浅层地热能是储藏在地下数百米以内的地层中,温度介于基准温度和25℃之间的低品位热能,是深部热能向上传导和太阳辐射共同作用的结果。因此,浅层地热资源评价实际上是评价地球浅层对热量与水量的“调蓄能力”,而不是传统的“储量”概念。
浅层地热能评价需考虑的因素包括:介质能量交换能力、交换速度与容量、能量交换环境响应、水质变化、温度场变化(热污染)和环境影响(生物种群等)。考虑到介质能量交换的能力,建议着手进行浅层地热能开发利用的适宜性评价工作。目前正在试点性地做一些工作,主要是利用全国水文地质资料以及地热的资料,比如说地面的放热量等参数情况来进行评价,这里面要考虑到气候的条件、水文地质的条件、经济条件等进行评价。另外,要加强环境的监测。因为它不是一个封闭的系统,把地下水抽出来再回灌的时候,它的氧化还原环境已经变化,而且存在污染地下水问题,对地下水微生物的平衡和地表的生态都会造成一定的影响,一定要加强这方面的监测工作。而且我们目前这些工程要加强场地地下水的监测工作,比如说要加强对地下水位温度与水位的监测,通过监测预测今后要发生的一些变化。
目前,我国浅层地热能开发利用尚处于起步阶段,全国范围内(或重点城市、经济带)的浅层地热能评价亟待开展,而合适的评价方法则是这项工作的前提。由于浅层地热能有别于传统的地热资源,一些传统的基于评价地球深部热能成因的评价方法,在用于评价浅层地热能的时候往往具有一定的局限性,难以客观反应区域浅层地热能的实际情况。建议从以下几个方面的工作着手,开展浅层地热能利用中相关研究工作:
1)浅层地热能开发利用适宜性研究。
水源类系统适宜性:地下水资源状况、回灌(特别是北方缺水地区)。地源类系统适宜性:地貌地势、土壤岩石热物性参数等。
2)浅层地热能开发利用环境响应监测。
包括温度场、化学场、水动力场以及开发区生物种群变化监测等。
3)浅层地热资源评价方法。
这个评价方法区别于传统的方法,我在近期即将发表的一篇论文上详细阐述了基本方法和我本人的一些看法,这里就不再累述。
侯马市浅层地热能的开发利用浅析 篇4
1浅层地热能的开发利用状况
20世纪80年代初～90年代末, 在我国暖通空调领域掀起了一股“热泵热”。进入21世纪以来, 国家相继出台了支持可再生能源开发利用的一些方针政策, 地源热泵行业有了较快的发展。
侯马市浅层热能的利用时间相对较早, 但到目前为止一般都是建设单位的自主行为, 在开发利用上存在很大的盲目性。往往都是施工单位或空调供应商凭经验、凭想当然选择地源热泵的应用方式, 所以大部分项目都没有前期的浅层地热能条件的调查研究和论证工作, 因而缺乏方案的优越性。
2地质水文状况
2.1 地层岩性状况
侯马市范围内除南部的紫金山区出露老的变质岩系外, 其余大部分地带以第四系地层为主, 由老到新概述如下:
前震旦系 (Ar) :裸露于紫金山南侧, 以混合岩化花岗片麻岩、黑云母角闪片麻岩、斜长角闪片麻岩等为主, 区域厚3 000 m以上。
震旦系 (z) :零星出露于紫金山东侧的山坡地带, 以石英岩状砂岩夹含砾石英岩为主。
奥陶系 (o) :地表无出露, 据地热井勘探资料, 本区陷覆奥陶系灰岩, 以中奥陶灰岩为主, 岩性主要为灰岩、泥质灰岩、白云岩, 揭露厚度大于400 m, 埋深700 m～1 600 m不等。
第三系 (N) :地表无出露, 广布于第四系黄土之下。岩性以深红、紫红色粘土为主, 其中多含钙质结核, 间夹砂砾石层, 区域厚0 m～1 000 m。
第四系:该系是本区出露最广泛的地层, 又可进一步划分为上、中、下、更新统及全新统。下更新统 (Q1) , 地表无出露, 钻探证实区内广泛分布, 岩性多为粘土、亚粘土间夹砂砾石层, 厚0 m～290 m。中更新统 (Q2) , 区内广泛分布, 有出露也有埋藏, 岩性以亚粘土、亚砂土夹钙质结核或砂砾石层, 厚110 m～180 m。上更新统 (Q3) , 广布于山前倾斜平原及汾浍高阶地区, 以亚砂土、亚粘土、砂砾石层为主, 厚20 m～40 m。全新统 (Q4) , 广布于现代河谷内, 以冲洪积相的亚砂土、亚粘土、砂砾石为主, 厚0 m～30 m。
2.2 水文地质条件及地下水资源状况
1) 基岩裂隙水:
分布在紫金山等变质岩区, 因地势较高, 风化裂隙发育, 大气降水直接渗入, 形成基岩裂隙水, 具潜水特征, 径流途径短, 一般以小泉的形式排泄。泉流量大小与降水量密切相关。
2) 松散岩类孔隙水:
广布于松散岩类沉积区, 据含水量的埋深、水力特征, 进一步划分为浅层 (潜) 水、中层 (承压) 水、深层 (承压) 水。
a.浅层 (潜) 水:区内分布广泛, 汾河、浍河谷地及低阶地区含水岩组为上更新统及全新统, 高阶地区含水岩组为上更新统, 含水层具双层结构, 下部砂砾石含水, 具微承压性, 上部粘性土含裂隙水, 与下部微承压水水力联系密切, 水位一致, 底板埋深30 m～40 m, 水位埋深小于10 m, 单井涌水量500 m3/d～1 000 m3/d, 水质类型复杂, 多为HCO3·SO4-Na·Mg型、HCO3·SO4型, 矿化度较高, 一般1 000 mg/L～3 000 mg/L。
b.中层 (承压) 水:广布于盆地中, 含水层为中更新统冲洪积、河湖相砂层, 顶板埋深平原浅、山前深, 平原区一般50 m～100 m, 山前一般80 m～120 m。含水层物质来源不一, 岩性、厚度、富水性差异较大, 总体来说:河谷区好于高阶地, 洪积扇上部好于下部。山前倾斜平原区单井涌水量500 m3/d～1 000 m3/d, 高阶地区300 m3/d～1 000 m3/d, 河谷区1 000 m3/d～1 500 m3/d。受开采影响, 水位埋深变化较大, 汾河谷地30 m～50 m, 山前倾斜平原80 m～120 m, 电厂一带大于100 m。
c.深层 (承压) 水:区内分布广泛, 含水岩组为下更新统及第三系上更新统的砂砾石层, 目前开采较少。下更新统地下水赋存条件、分布规律与中更新统含水岩组基本一致, 但含水层埋藏较深, 其顶板埋深一般150 m～280 m, 底板埋深一般350 m～460 m。据侯马市海关地热勘探资料显示, 下更新统底板埋深405 m, 厚120 m, 岩性为河湖相沉积的亚砂土、亚粘土及中细砂或砂砾石层。水位埋深同中层水一致。
本区地下水的径流方向总体上由东到西, 一方面接受来自曲沃方向的侧向径流, 再加上本区的降水入渗, 构成了本区地下水的主要补给项, 除部分排泄于下游外, 主要为人工开采, 现已在电厂水源地周围形成了较大的人工开采降落漏斗。
3浅层地热能分区分析
Ⅰ区分布在紫金山等变质岩区, 因地势较高, 风化裂隙发育, 大气降水直接渗入, 形成基岩裂隙水, 具有潜水的特征, 径流途径短, 一般以小泉的形式排泄。底板埋深在30 m～40 m之间, 水位埋深小于10 m, 单井涌水量在500 m3/d～1 000 m3/d之间, 水质类型复杂, 多为HCO3·SO4-Na·Mg型、HCO3·SO4型, 矿化度较高, 一般1 000 mg/L～3 000 mg/L。地下水回灌量在55%～65%之间, 是可小规模利用地下水换热方式的地区。如要选择地下水换热方式, 抽回灌井比例宜为1∶3。
Ⅱ区分布在南部的卫家庄—史店—复兴村一带, 包括小韩、驿桥、上马、秦村, 该区以粉细砂、中粗砂为主, 50 m以下主要以粉土、粉质粘土为主, 只在50 m～70 m地层夹有卵砾石, 厚度在5 m以下, 地下水埋深较浅, 含水层厚度大于30 m, 周围土体平均导热系数在1.3～1.8之间, 是竖直地埋管换热器的适宜地区, 单孔换热功率在48 W/m～52 W/m。
该区地下水含量一般, 水质一般, 单井涌水量在320 m3/ (d·m) ～400 m3/ (d·m) 之间, 单井回灌量在55%～70%之间, 抽回灌井比例宜在1∶2～1∶3之间。
Ⅲ区是指汾河、浍河现代河谷及两侧的冲洪积高阶区, 由东北向西南缓倾斜, 地形坡度小于10°。该区第四系含水层厚度为150 m, 以粉土、粉质粘土为主, 60 m～90 m夹有卵砾石, 含水层厚度大于30 m, 周围土体平均导热系数在1.2～1.5之间, 是竖直地埋管换热器较适宜地区, 单孔换热功率在47 W/m～52 W/m。
该区地下水含量一般, 水质一般, 单井涌水量在320 m3/ (d·m) ～400 m3/ (d·m) 之间, 单井回灌量在55%～70%之间, 抽回灌井比例宜在1∶2～1∶3之间。
4环境评价
4.1 浅层地热能开发对环境的影响
地源热泵是一种先进的技术, 它高效、节能、环保、有利于可持续发展, 具有显著的环保效益。目前, 地源热泵的驱动能源是电, 电能是清洁能源。因此, 在地源热泵应用场合无污染。
本项目采用的可再生能源系统不会对环境产生有害影响。采用地埋管采暖制冷时, 北方地埋管冬季的温度最低-3 ℃左右, 夏季最高可达到34 ℃左右, 温度的波动幅度要小于室外气温的波动幅度, 并且冬季吸热、夏季排热, 维持地下温度场的相对平衡。土壤源热泵技术发展至今, 还未发现因地埋管的吸热和放热破坏地下温度场, 造成不利影响的相关报道。
4.2 防止浅层地热能利用产生不利环境影响的措施
在应用地表水源热泵时, 出于生物学的原因, 常要求地表水源热泵的排水温度不低于2 ℃。并要注意吸热量和放热量的平衡, 以免造成对水生物的影响。地下水源热泵必须有可靠的回灌措施, 保证水能100%的回灌到同一含水层中。
使用土壤源热泵技术, 要严格遵循《中华人民共和国可再生能源法》《中华人民共和国节约能源法》及相关法律法规与GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范及相关规范的要求。要注意同一地域资源的开采数量, 切忌过度开采。在地埋管地源热泵系统方案设计前, 应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察。要注意地埋管工程不得不造成建筑物基础的影响, 并对地埋管工程进行热平衡分析计算, 防止出现过冷或过热的现象。
5侯马市浅层地热能研究结论与建议
5.1 侯马市浅层地热能研究结论
侯马市位于山西省南部、汾河与浍河交汇处, 地处亚温带, 有冬季供热夏季供冷的需求, 且供热与供冷天数相当, 适合有蓄热及蓄冷特点的土壤源热泵系统, 适合地源热泵系统。
结合侯马的地质性况, 建议在局部区域进行地下水源的浅层地热能利用, 在大部分区域进行地埋管项目的开发和利用。
地下水源热泵系统:可采资源量冬季为0.22×107 kW;夏季0.23×106 kW。按此开采强度, 一个采暖季 (120 d) 可以从岩土体中取出总热量:1.7×1013 kJ, 其中Ⅰ区为1.17×1012 kJ, Ⅱ区为7.92×1012 kJ, Ⅲ区为7.92×1012 kJ。按此开采强度, 一个制冷季 (60 d) 可以从岩土体中排放总热量:3.158×1013 kJ, 其中Ⅰ区为2.18×1012 kJ, Ⅱ区为1.47×1013 kJ, Ⅲ区为1.47×1013 kJ。
地埋管地源热泵系统:浅层地热能经初步估算, Ⅰ区夏季可开采资源量0.12×107 kW;冬季可开采资源量0.16×107 kJ。Ⅱ区夏季可开采资源量0.18×107 kW, 冬季可开采资源量0.23×107 kW;Ⅲ区夏季可开采资源量0.18×107 kJ;冬季可开采资源量0.23×107 kW。按此开采强度, 一个采暖季 (120 d) 可以从岩土体中取出总热量:Ⅰ区为4.15×1012 kJ;Ⅱ区为5.96×1012 kJ;Ⅲ区为5.96×1012 kJ。一个制冷季 (60 d) 可以从岩土体中排放总热量:Ⅰ区为3.1×1012 kJ, Ⅱ区为4.7×1012 kJ, Ⅲ区为4.7×1012 kJ。
5.2 侯马市浅层地热能建设
1) 建议出台相关政策, 设立专门机构负责推广应用, 初级阶段可提供免费的相关信息服务。
2) 要搞好浅层地热能开发利用的总体规划, 在适宜区内尽量合理、均衡布局。防止一哄而上, 盲目发展, 过度开发, 避免工程项目过于集中, 相互影响。要因地制宜, 采用浅层地热能换热形式。
3) 建议确定采用浅层地热能的范围。如在开发条件适宜地区, 鼓励新建或改建的较大项目采用浅层地热能等。
4) 要搞好机井设计, 严格成井工艺, 不允许用农业井的经验打空调井。要对打空调井的打井队伍加强技术培训, 实行市场准入制度, 加强管理, 保证工程质量。
5) 对已建工程要加强后期观测研究工作, 定期进行水量、水质和水温检测, 总结经验, 不断改进。
浅层水源热能论文 篇5
浅层地热能是一种新型可再生能源, 它来源于地球内部的热量和太阳辐射。浅层地热能广泛存在于岩石、土壤、水源等许多介质中, 位于地表200m以内的恒温带内。它的开采是随着全球能源危机和环境问题的凸显而逐步发展起来的一项能源及环境保护技术, 它的研究对于严重依赖石化能源经济快速发展的中国而言尤为重要。
国内外许多学者及单位在浅层地热能的研究中进行了不懈努力并取得了丰硕成果[1~3]。当前浅层地热能的主要利用方式有地表水源为热源的水源热泵和以地表岩石、土壤介质为热源的土壤源热泵两种。本文的研究对象是单井循环换热地能采集井[4], 是一种原创性的适用于多种地质条件的新型浅层地热能开发技术。这种单井循环浅层地热能开发方式结合了上述前两种传统地能采集方法的优势, 实现了循环水在同一含水层的完全回灌, 从而成功实现了单井循环浅层地热能的开发。该设备生产成本较低, 无水体污染, 检修方便, 便于在有浅层地下水的地区推广, 实现了真正的绿色能源利用。由于我国浅层地热能分布地域广泛、资源丰富, 开展此项研究并大力开发这种单井循环浅层地热能对于保障能源安全、降低环境污染具有重要意义。
本文建立了单井循环换热地能采集井完整的概念模型和数学模型, 对于深入理解其数学原理、水文地质及物理过程, 高效开发利用这种单井循环浅层地热能具有重要意义。
1 单井循环换热地能采集井的物理概念模型和多孔介质特征
1.1 物理概念模型
单井循环换热地能采集井是以循环水作为介质采集地下温度低于25℃的热能, 实现了地下水的同层完全回灌。这种井不消耗也不污染地下水, 因此对于地下水体质量是安全的。
这种地能采集井分为有蓄能颗粒类型和无蓄能颗粒类型两种。
有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井的物理过程为, 循环水由绝热井壁内部抽水区的潜水泵抽出排走并送入热泵机组经过放热或者吸热后, 由热泵机组返回进入地能采集井上部的加压回水区内部。水流在绝热井壁与隔离膜之间有蓄能颗粒的环形空间内流动, 大部分进入下部抽水区, 一小部分透过孔壁的隔离从加压回水区通过渗透流到土壤介质中, 最后从抽水区回流。地能采集井的所有回水透过绝热井壁下部的花管由潜水泵抽走送回热泵机组。
无蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井中绝热井壁与隔离膜之间的空间没有蓄能颗粒, 充满介质水, 其余部分的构造和传质传热物理过程与有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井相同, 见图-1。
1.2 多孔介质特征
单井循环换热地能采集井的多孔介质总共包括两种, 一种是绝热井壁与隔离膜之间充满蓄热颗粒, 其特点是有良好的蓄热性能。蓄热颗粒的蓄热系数很大, 亦即热流波动的振幅与温度振幅的比值很大。另一种是隔离膜外侧的饱和土壤多孔介质, 其作用是通过水与蓄能颗粒之间交换热量和水即传热传质。可见单井循环换热地能采集井是含有两种多孔介质的对流传热传质的水热耦合体, 水在其中发挥着最重要作用。
2 单井循环换热地能采集井的数学模型
单井循环地能采集井中的有蓄能颗粒采集井的数学模型仅有多孔介质一种计算区域, 无蓄能颗粒采集井则包括多孔介质和充水两种计算区域。其数学模型的选取较为复杂, 前者用考虑固体骨架的流体动力学模型即可, 后者除此之外需增加湍流模型用以计算只充水的计算区域, 当充满的水为层流状态时则湍流模型退化为层流模型计算。可见典型的单井循环换热地能采集井中存在三种流态的区域, 即水介质中的紊流与层流两种流态和土壤 (蓄能颗粒) 中的层流流态, 见表1。
2.1 有蓄能颗粒地能采集井的数学模型
2.1.1 控制方程
由于有蓄能颗粒单井循环地能采集井各部分皆为多孔介质, 其中充满的流体是水。水在多孔介质中流速非常缓慢, 按粘性不可压缩的层流模拟计算。多孔介质内水的流动考虑固体骨架, 遵循质量守恒方程、动量守恒方程、以及能量守恒方程[5]
(1) 质量守恒方程
式中, γ为多孔介质的孔隙度, ρ为流体密度, t为时间变量, Vi为流体的速度张量, i=1, 2, 3。
(2) 动量守恒方程
式中, p为流体静压, τjk为应力张量, j, k=1, 2, 3, g为重力加速度, Sm为多孔介质的动量源项, γ, ρ, t, Vi含义同 (1) 式。
(3) 能量守恒方程
式中, Ef为多孔介质中流体总能量, Es为多孔介质中固体骨架总能量, hi为多孔介质中流体及各种固体骨架的焓, Ji为多孔介质中流体及各种固体骨架组分i相对于质量平均速度每单位面积的质量流量, i=1, 2, …, Sfh为流体的焓源项, p, γ, ρ, t, τj k, Vi含义同 (1) 式, ke为多孔介质的有效热传导率, 根据计算区域中流体热传导率和固体骨架热传导率加权求得。显然当孔隙率为100%时上述方程退化为不可压缩流体的层流控制方程。
2.1.2 定解条件
定解条件种类较多, 在实际工程中可根据具体情况列出, 常见的定解条件如下。
(1) 初始条件
计算流场处于静止状态, 即初始时刻速度V (0) 为零, 初始时刻压强P (0) 为外界大气压P0, 初始时刻温度T (0) 为常量T0, 表达式如下
(2) 边界条件
1计算域的进口边界
进口流量Qin为常量Q1, 即
进口温度Tin为常量T1, 即
进口压强Pin为常量P1, 即
2计算域的出口边界
出口流量Qout为常量Q2, 即
出口温度Tout未知, 不予设定, 由已知条件计算得到。
出口压强Pout为常量P2, 即
3计算域的其他边界
土壤等温外边界Г1及绝热外边界Г2表达式如下。
定热流密度边界条件如下
边界上的流场速度V为零, 即
式 (12) ~ (15) 中, T表示边界Г1的温度, q表示边界Г2的热流密度。
2.2 无蓄能颗粒地能采集井的数学模型
2.2.1 控制方程
无蓄能颗粒单井循环地能采集井计算区域分为有多孔介质计算区域和无多孔介质计算区域两部分。两部分分别采用不同的控制方程。
(1) 有多孔介质计算区域。
无蓄能颗粒单井循环地能采集井的土壤多孔介质的流动属于层流, 其控制方程与有蓄能颗粒单井循环地能采集井的控制方程 (1) ~ (4) 式完全相同。
(2) 无多孔介质计算区域。
无蓄能颗粒单井循环地能采集井的进水加压管和抽水回水管部分无多孔介质, 全部充满水, 采用粘性不可压缩紊流的标准K-ε模型[5]。
K-ε微分方程的通用形式为下式
式中, t为时间变量, ρ为流体密度, φ为所研究的任一因变量, Vi为流体速度张量, i=1, 2, 3, Гф是扩散系数, Sф是源项。方程 (16) 中的4项分别是非稳定项、对流项、扩散项及源项, 有关内容详见有关文献。
2.2.2 定解条件
在初始条件和进口及边界中增加湍流动能k和湍流动能耗散率ε条件, 其它内容与2.1.2中内容相同。
3 单井循环换热地能采集井的计算模型与参数设置
3.1 计算模型的假设条件
单井循环地能采集井模拟计算需做以下合理假设:
(1) 土壤的固体骨架和流体之间瞬间完成了换热过程;
(2) 土壤的固体骨架和流体皆为均质、各向同性或各向异性的连续介质;
(3) 充满的流体介质是不可压缩的水体, 水按紊流条件设置。当水的雷诺数达到层流条件时流动模式退化为层流;
(4) 水在无蓄能颗粒计算区域与有蓄能颗粒计算区域相交界面处为层流状态;
(5) 惯性力只有方向向下的重力加速度;
(6) 在动量方程中把多孔介质作为计算域的一个源项计算来简化流体及传热的编程计算;
(7) 模拟计算时采用的是流体的表观速度, 而非流体在固体骨架孔道中的实际速度, 这样可方便计算;
(8) 模拟计算时不考虑计算域上界太阳辐射、与大气热交换等热力过程可方便计算, 更有利于反映问题的物理本质。
计算模型的假设条件在实际工程中结合具体情况需做出调整, 经过科学假设反复论证后方可确定。
3.2 数值计算方法
浅层地热能利用的研究方法主要有现场试验方法、热储量估计法、解析方法、数值模拟方法, 上述方法的组合等。其中数值模拟方法包括有限单元法、有限体积法、边界元法、混合元法等, 有关内容可参阅相关资料, 在此不再赘述。
在计算流体力学领域广泛采用的是有限体积法, 它是将计算区域划分为许多控制体积, 然后把偏微分方程对每个控制体积进行积分得出离散方程。有限体积法的关键问题是在离散过程被求函数及其导数的分布作出假定, 求得的离散方程的系数物理意义明确且具有守恒性, 该方法由于计算量较小使得计算效率较高[6]。
近年来, 随着数值传热学及计算流体力学的迅猛发展, 许多相关的专业软件已被开发应用, 可以采用CFX, FLUENT, STAR2CD, ANSYS软件。当计算区域内部为均质、各项同性介质时也可以采用MATLAB软件求解上述偏微分方程组, 并能绘制出与计算结果对应的图形。
3.3 物理模型
以有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井为例说明概化的物理模型。设研究区直径为100m, 深度为50m的三维圆柱形径向对称区域, 单井循环地能采集井位于几何中心的上部, 井深20m, 见图2。地能采集井的进口流量分别为50L/s和80L/s, 进水温度分别为30K, 290K。土壤温度及土壤外边界按恒温为计, 隔离膜和绝热内壁之间的圆环状腔体中充满蓄热颗粒及水, 隔离膜外是土壤介质, 另有进水口、潜水泵抽吸水口, 地能采集井内壁为绝热边界条件。
3.4 几何模型
以图2的区域为例说明几何模型的建立, 本例采用合适的软件建立研究区空间模型后, 再用网格划分软件将研究区域生成一定数量的矩形单元网格, 外边界的每条边为一个面, 每个交叉点为单元的节点。其中靠近地能采集井的区域划分网格时密度较大, 以满足计算结果的精度要求, 详见图3、图4。当计算区域是三维时, 其几何模型通常情况下则需划分为三维网格。
3.5 参数设置
设置计算模型的类型主要包括流态 (层流或紊流) , 是否属于稳定流, 重力加速度大小及方向, 是否考虑温度等。
计算区域内需要设置参数的介质包括水、土壤、蓄能颗粒。
(1) 水
需要设置温度、密度、比热容、粘性系数、标准状态焓值、标准状态熵值。
(2) 蓄能颗粒
需要设置密度、比热容、热传导系数、孔隙度、粘性阻力系数, 惯性阻力系数。
(3) 土壤
需要设置密度、比热容、热传导系数、孔隙度、粘性阻力系数, 惯性阻力系数。
定解条件的设置包括:初始时刻速度、初始时刻压强、初始时刻土壤温度、进口水流量、出口压强、土壤边界温度、绝热边界热流密度、边界上的流场速度、土壤外边界的粗糙常数。
由于水在多孔介质中流速非常慢, 属于层流流态, 蓄能颗粒和土壤固体骨架的粘性阻力系数1/a计为
式中, 1/a是粘性阻力系数;g是重力加速度;K是渗透系数, μ是水的运动粘性系数。
惯性阻力系数C2计算时可借用化工专业中常用的欧根公式, 仅考虑层流项后简化为下式:
式中, C2是惯性阻力系数;Dp是颗粒的当量直径;ε是多孔介质的孔隙率。由于多孔介质中层流流态的惯性阻力系数很小, 主要是粘性阻力系数起作用, 可取一个较小值或径直取零计算。上述步骤完成后进行模拟计算即可得到所需的一系列结果。
4 结论与建议
本文主要给出了有蓄能颗粒和无蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井的物理及水文地质模型和数学模型, 为定量计算提供了理论依据。
由于单井循环换热地能采集井的传热传质过程复杂性, 进行温度计算时需采用数值模拟的方法。准确模拟、预测土壤及出水介质的温度值对于浅层地热能开发的理论研究及生产实践具有重要的指导意义和参考价值, 相比模型试验及现场试验可节约大量资金且工期短。
本文给出了理想的单井循环换热地能采集井的数学方程、数值计算方法、计算模型、几何模型、包括常量和变量在内的各参数赋值方法等的完整过程, 把水文地质过程、水动力过程、传热传质过程统一在一个数学模型中更便于进行研究。在实际研究生产过程中结合观测资料和微分方程参数反演, 通过模型识别得到反应实际状况的数学模型, 按照上述方法即可模拟计算并求解以供生产研究使用。
通过给数值模型中的各参数赋予不同数值从而得到不同的结果, 由此分析不同水文地质参数、热力学参数、水动力参数对单井循环换热地能采集井的影响, 这为地能采集井设计中的参数选择提供了主要依据。
通过基于单井循环浅层地热能开发的数值模拟与分析, 有利于深化对它的科学认识。
单井循环浅层地热能开发数值模拟的科学进行也有赖于对流动与换热过程中有关强迫对流、自然对流、热传导、热弥散理论的进一步发展。流体力学与传热学中各种湍流模式发展促进热能学科的发展就是一个有力的证明。
单井循环换热地能采集井技术已在包括中国国家大剧院在内的国内外许多重要工程中得到应用, 获得了良好的经济效益和社会效益。通过对其进行数值模拟分析可以更有效的利用这种绿色能源来造福人类社会, 为人口-资源-环境的可持续利用与发展提供有力的支持。
参考文献
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