第一章 绪 论
能源是万物生存、人类社会和全球经济发展的动力，自工业革命以来，人类对能源的需求呈现爆发式的增长，并且全球能源消耗以平均每年不小于百分之五的速度递增。据美国能源信息管理局统计，2003 年全球一共消耗 147810 亿千瓦的能量，预计2015 年全球需要消耗能量 216990 亿千瓦。这些能量 85%以上是来自化石燃料的燃烧，这些能源不可再生以目前地球的储存量和人类的消耗速度估计，人类只能再使用一二百年。而且在消耗这些不可再生能源的过程中，向大气中排放了大量的粉尘等悬浮颗粒，以及 CO2、SO2、氮化物等大量有害气体，给环境带来严重的污染。因此，全世界都在积极的开发研究能耗低、污染少的可再生能源，浅层地热能[1]的开发利用由此成为目前比较热门的研究课题。
中国作为世界上目前经济发展最快的国家，其对能源的需求也也越来越大。现在我国的石油、天然气、煤炭的人均可开采储量分别是世界平均水平的 11%、5%和 55%。我国能源消耗日益紧张而且能源消费严重不均衡，目前面临经济高速增长对能源的极大需求和保护环境的双重压力。中国要走可持续发展道路就必须提高能源利用率，与此同时改变能源结构，开发新型绿色能源。随着热泵技术的成熟，由于浅层地热能能够满足人们使用生活热水和建筑供暖(冷)的温度要求(冬季室温要求 20℃左右，夏季27℃左右，生活热水 45℃左右)，开发利用浅层地热能进行供暖和制冷得到了广泛的推广[2][3]。利用浅层地热能替代化石能源用于供暖过程中，仅仅依靠少量电能将浅层地热能从土壤或者地下（表）水中提取出来，避免化石能源的燃烧排放的 CO2、SO2、氮化物和煤尘等污染；利用浅层地热能还能替代空气源空调用于制冷，在地源热泵制冷过程中将室内空气中的热量储存到地下，减少了向室外环境中排放热量。开发利用浅层地热能资源在节能减排、保护环境等方面的效益非常显著，到目前为止还没有发现对岩土环境影响的负面报道[4][5]。
我国拥有十分丰富的浅层地热能资源。据有效数据统计，我国 287 个地级以上城市每年蕴含 2.78×1017KJ 的浅层地热能资源，这相当于燃烧 9.5×109吨标准煤所释放的热量。并且每年可以利用的浅层地热能资源就达 2.89×1012KW·h，相当于燃烧 3.56×108吨标准煤。若扣除开发浅层地热所消耗的电量，则每年可以提供 2.02×1012KW·h 的能源，相当于燃烧 2.48×108吨标准煤。预计到 2015 年，我国能够利用的浅层地热能资源占可利用总量的 14.8%，即达到 44.26×1012KW·h，相当于 5.27×108吨标准煤。[11]
浅层地热能的开发利用除了受到地下岩土蕴藏热量的制约外，岩土热物理性质对其也有很大的影响。[6]岩土比热容大小直接影响浅层地热能在地表赋存热量的多少，同时还制约着一定温差内提取热量的多少；地下岩土体和回填材料的导热系数直接影响地热的利用率和地温的恢复时间，此外，岩土的导热系数不仅是土传热传湿研究的一个重要参数，而且还影响着金属的耐腐蚀性。[7][8]热物性参数的大小直接影响开发浅层地热能时，钻孔的数量及深度：当地下岩土体导热系数的测量值和实际值发生 10%的偏差，地下埋管的设计长度就会发生 4.5%—5.8%的偏差[9][10]，这必然导致钻孔深度的变化，从而影响开发利用浅层地热能的成本。因此浅层地热能开发利用始终伴随着对岩土热物理性质的研究。
1.1 岩土热物性特征研究及浅层地热能开发利用现状
1.1.1 国内外浅层地热能开发利用现状
蕴藏在地表以下地下水和岩石的热量称为地热资源[4]，通常认为地热资源的温度一般比当地平均气温高 10 摄氏度以上。由于地表以下浅部的岩土体、地表水和地下水中蕴藏的浅层地热能的热能品味比较低，难以被人们利用转化为有利用价值的功。所以在一百多年以前不把它看作地热资源。直到 1912 年，瑞士科学家 Zoelly 首次提出利用浅层地热能作为热泵系统地温热源，并申请专利[4]。随着对建筑物供暖、制冷的需求，热泵技术日趋成熟，逐渐发现浅层地热能的开发利用价值。浅层地热能早已被国际地热界公认为地热资源的重要组成部分。
20 世纪四五十年代，欧洲和美国掀起了开发利用浅层地热能的第一次高潮，以美国西部为代表，整个美国都在大量安装地源地泵系统，开发利用浅层地热能。[12-17]其中最为代表的是 1948 年美国俄勒冈州波特兰市联邦大厦（Commonwealth Building）[12-13]设计使用了第一台地下水源地泵系统，该系统从设计之初便得到了广泛的关注。[14-16]20 世纪 70 年代，石油危机的出现使人们认识到能源的紧迫性，节能和开发利用新能源成为人们的共识。浅层地热能再次成为各国研究推广的热门。
在过去十年内，美国开发利用浅层地热能的力度越来越大。仅地源热泵的使用年增长率达 12%，现在有超过 50 万套地源热泵在运行使用，并且每年正在安装投入使用的地源热泵系统就有大约 5 万至 6 万套。[18]目前美国浅层地热能多被利用在学校和办公建筑中[13]，2003 年有 1200 所学校使用浅层地热能供暖和制冷。[19]目前，世界上最大的地下水源热泵系统安装在美国的肯塔基州路易维尔市的一个办公楼中，该系统为建筑提供 10MW 的冷（热）量[20]。1998 年由美国华盛顿的地源热泵协会（GeothermalHeat Pump Consortium）调查表明[21]：业主对地源热泵的满意率高达 90%以上，即使满意率最低的项目也在 84%以上，并且 40%的居民和 50%的业主熟悉地源热泵工艺。[22]
第二章 大兴安岭地区室内外热物性试验研究
2.1 研究区域地理条件、地质背景
2.1.1 地理位置
研究区位于黑龙江省大兴安岭地区行政公署所在地—加格达奇区，该区位于位于黑龙江省西北部，大兴安岭山脉的东南坡，西南大部分地区与内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂伦春旗接壤，东北部与松岭区（松岭林业局）接壤（交通位置图见图 2.1），其东南距哈尔滨市 719 km，南距齐齐哈尔市 431 km，是大兴安岭地区与黑龙江省联系的交通枢纽。
第三章 大兴安岭地区岩土热物性特征分析..............36
3.1 大兴安岭地区地温特征..............36
3.2 大兴安岭地区岩土比热容和导热系数特征.......... 38
3.2.1 大兴安岭地区室内、外热物性试验数据分析.......... 38
3.2.2 大兴安岭地区岩土热物性特征与黑龙江其他地区对比分析......... 39
3.2.3 岩土热物性分析............... 45
第四章 岩土热物性数据库系统研究与建设...........47
4.1 总体设计............ 47
4.2 系统的开发............48
4.2.1 系统开发的技术手段............. 48
4.2.2 系统功能的实现..................50
4.2.3 系统开发的技术关键............54
4.3 系统的功能介绍................55
4.3.1 基础数据管理模块操作说明...........56
4.3.2 图件信息管理模块操作说明................ 60
第五章 地下冷源及抽灌井空间布置对水源热泵系统影响模拟研究..................63
5.1 软件及模型简介....................... 63
5.2 群井抽灌系统数值模型的建立................... 64
5.3 回灌水温度对地下温度场的影响................ 65
5.4 抽灌井空间布置对地下温度场的影响.......... 73
5.4.1 天然地下水流平行于抽灌井连线，并由抽水井指向回灌井.........74
5.4.2 调整抽水井与回灌井间距.....................76
5.5 地下冷源对水源热泵影响模拟研究............. 78
5.5.1 地下冷源的成因.................. 78
5.5.2 冷源对含水层温度场影响模拟研究...........80
结论
本文通过对大兴安岭地区岩土体进行室内、外试验研究该地区岩土体的热物性特征，同时与黑龙江庆安县和辽宁沈阳市的室外试验结果进行对比分析。并且配合抽水试验和回灌试验获取准确的水文地质参数，结合 TOUGH 软件模拟群井抽灌系统条件下，通过改变抽灌井在不同空间方位上的间距、不同水文地质条件以及在地下水流动方向等因素，对含水层温度场的影响演化进行研究，尤其针对含水层发生热短路以及井群发生干扰、地下天然冷源对水源热泵的影响等实际水源热泵工程中遇到的问题进行分析研究。最后建立数据库对所有资料进行整理归纳。通过以上研究，得到如下结论：
1）通过室内热物性试验测得岩土综合热物性参数为：加权平均导热系数 2.293W/（m·k），加权平均比热容 1.65(kj/kg·K)；通过原位热响应试验测得四次热响应试验地层的平均导热系数范围为 2.19～2.50W/（m·k）；平均比热容为 1.274～1.298kJ/(m3·k)。室内、外热物性试验得到的结果有一定出入，其主要原因是试验方法不同。热响应试验是模拟地源热泵工况对整个地下热物性进行测试，更加接近实际工程情况，其试验结果更符合工程要求。
2）该区域冷源之外的场地地下温度场恒温层在地下 30m 以下，温度为 5℃；在80m 调查范围内，地下冷源多位于地下 40m 以下，呈零星岛状分布，通过测温发现冷源温度在 0～1℃范围内。
3）水源热泵在 60m 间距，回灌温度为 3℃时，2 号抽水井和 3 号抽水井地下温度场在第三年供暖期发生热短路。由模型模拟可知，水源热泵系统抽灌井空间最佳布置方案为：抽水井与回灌井、抽水井与抽水井、回灌井与回灌井之间间距为 75m，地下水流方向与抽水井和回灌井连线平行并且沿抽水井流向回灌井。
4）地下冷源对水源热泵的影响与冷源到抽水井的距离有关。与恒温层温度差为3.3℃的冷源，对水源热泵的影响范围大约在 150m 以内。而且在小于 75m 的范围内对水源热泵的影响最为显著。地下冷源距抽水井距离为 150m 时，模型模拟运行一年抽水井地下温度场下降 0.024℃，而且温度场在恢复期开始回升。在高纬度地区由于地下温度场温度较低，在开发利用浅层地热资源时热泵的能耗比较高，故应慎重考虑。若选取该技术时，场地选择时应尽量寻找地下水丰富、岩土体导热性能较好的地区，并且避免存在地下冷岛、常年冻土层等含有地下冷源的场地。
5）完全结合 C#和 SharpMap 优点研究开发适合浅层地温能调查的数据库管理系统，系统开发克服了数据信息导入、SharpMap 引用、GIS 图件格式等技术难点，开发出性能完善的数据库管理系统。结合大兴安岭地区浅层地温能调查的实际项目，系统功能和稳定性得到了很好的验证和肯定。
参考文献:
[1] 中国建筑科学院主编，地源热泵系统工程技术规范[M]，2005，北京：中国建筑工业出版社，2005
[2][Cane R L D,Forgas D A.Modeling of Ground-SourceHeat Pump Performance.ASHRAE Transactions. 1991
[3]Sulatisky M T,G van der Kamp.Ground-Source HeatPumps in the Canadian Prairies.ASHRAE Transactions. 1991
[4] 马最良，吕悦主编，地源热泵系统设计与应用[M]，北京：机械工业出版社，2007
[5] 蒋能照，刘道平主编，水源、地源、水环热泵空调技术应用[M]，北京：机械工业出版社，2007
[6] 韩再生，浅层地热能的属性和利用[J]，地温资源与地源热泵技术应用论文集（第二集）地质出版社：27~31
[7] Roland Wagner and Christoph Clauser, Evaluating thermal response tests usingparameter estimation for thermal conductivity and thermal capacity [J], J. Geophys.Eng. 2 (2005) 349–356.
[8] 吴刚，岩土材料导热系数及水源热泵室内模拟试验研究[M]，2009,吉林大学
[9] Kavanaugh S P.Simulation and experimental verification of vertical ground-coupledheat pump systems[D].Oklahoma State University,1985
[10]W.A.Austin.Development of aninsitu system for measuring groundthermal properties.Oklahoma State University,1995