地源热泵系统区域地温场地质环境热响应及其应用模拟研究

As the new type of the exploitation of the shallow low-temperature geothermal energy, it has the important application background in energy-saving, carbon-emission reduction, and utilization of the renewable energy for the Groundwater Source Heat Pump (GWHP) system. The crucial scientific issues about the thermal transport process mechanism in saturated media should be discussed, such as the thermal interference of groundwater temperature field, the arrangement of the pumping and injecting wells, the running effect of the GWHP system and the evolution of the regional geothermal field. The research methods such as the physical model experiments, the numerical simulation and the control analysis of system theory will be adopted in this study from the point of view of regional geological environment system.The targeted experimental device system will be designed and developed to simulate the thermal transport process characteristics in saturated media under special groundwater-flow and heat source condition of thermal source/sink terms for the GWHP system physically. The mathematical and numerical model will be established and verified to simulate the influence of the characteristic factors change of medium structure on the thermal transport process in saturated media. The geo-environmental thermal response of the structure evolution of the regional geothermal field to the large-scale and long-period pumping-injecting circulatory running of the GWHP system will be discussed quantitatively. By building the index system of the suitability evaluation, the influence of the characteristic factors of medium structure and the model parameter factors on the running efficiency and heat exchange performance will be estimated and distinguished to resolve the basic application issues such as the regulation and control of the optimal design for the GWHP system.

地下水源热泵系统是一种新型浅层低温地热能开发利用技术，在节能减排、可再生能源利用方面具有重要的应用背景。针对与饱和含水介质中热量输运过程特征机理有关的地下水温度场热干扰、抽-灌井群布控、热泵系统运行功效及地温场结构演化等关键科学问题，从区域地质环境系统的角度出发，采用物理模型实验、数值模拟、系统控制分析等研究方法，设计研制出有针对性的室内实验装置系统，物理模拟地下水源热泵系统特定水流和热源边界情况热源/汇项条件下饱和介质中热量输运过程特征，建立和验证相应的数学及数值模型，模拟及探讨含水介质结构特征因素变化对热泵系统饱和介质中热量输运过程的影响，量化分析区域地温场结构演化过程对地下水源热泵系统大规模长周期抽水-回灌循环运行的地质环境热响应。建立适宜性评价指标体系，以判别和确定介质结构特征因素或模型参数因子对其换热效果和换热性能的影响程度，分析和解决优化设计调控等基础应用问题。

针对与地源热泵系统运行条件下饱和含水介质中热量输运过程特征机理有关的地下水温度场热干扰、抽-灌井群布控、热泵系统运行功效及地温场结构演化等关键科学问题，本研究从区域地质环境角度出发，采用物理模型实验、数值模拟等研究方法，设计研制了针对性的室内模型实验装置系统，模拟了地下水源热泵系统特定水流和热源边界条件下饱和介质中热量输运过程特征，建立和验证了相应的数学及数值模型，模拟探讨了含水介质结构特征因素变化对热泵系统饱和介质中热量输运过程的影响，量化分析区域地温场结构参数变化对地下水源热泵系统大规模长周期抽水-回灌循环运行的地质环境热响应，判别确定了介质结构特征因素或模型参数因子对其换热效果和换热性能的影响程度，分析解决其优化设计调控等基础应用问题。研制出适用于饱和含水介质热量运移实验模拟的装置系统，利用实验装置进行了圆柱状饱和中粗砂承压孔隙含水层热量运移室内模型实验模拟，得到饱和孔隙介质热量运移过程基本的统计和特征性规律，测试和检验了装置系统的适用性及稳定性；验证了描述饱和孔隙介质热量运移过程中热传导和热量对流-弥散基本作用机制的数学解析表达，分析了影响热传导和热量对流-弥散过程的作用因素，讨论了对饱和孔隙介质传热过程意义重要的热物性特征参数的物理意义；根据不同地下水流（压力）和温度边界条件作用下热量运移过程数值模拟结果，将饱和孔隙介质热量运移过程划分为不同的典型阶段，检验了所建立的简化的柱坐标系饱和孔隙介质热量阶段性运移模型；通过理想的“对井抽-灌”概念及数学模型，模拟分析了拟建地下水源热泵系统完整运行周期饱和孔隙介质热量运移阶段特性，并从概念及数学模型方面讨论了地下水流对传热过程的影响；模拟了该热泵系统夏季不同井间距运行及冬季抽、灌井互换运行饱和孔隙介质热量运移过程，确定了抽、灌水井间的合理距离，讨论了不同运行阶段热泵系统抽、灌井互换运行效果，并分析了夏季冷负荷设计方案变化对其工程可持续性运行的影响；结合系统不确定性理论，利用敏感性分析方法，讨论了饱和孔隙介质热量运移模型对参数变化及参数间相互作用的敏感性问题，评价了模型输出结果分别对参数变化及各参数组合下的局部及全局敏感性程度。