分析测试站点(Politecnico di都灵开环GWHPs)位于都灵,西北意大利皮埃蒙特地区(地理坐标:45°03<我nl我ne- - - - - -formula> ′ 45<我nl我ne- - - - - -formula> ” 7°N, 39岁<我nl我ne- - - - - -formula> ′ 41<我nl我ne- - - - - -formula> ” E,海拔高度:248米a.s.l)。

如图 1Politecnico di都灵开环地热系统(CF1)是由一个40米深抽油井(P2), 47米深注入井(P4)和35米深监测压强计(S2),位于downgradient P4。描述组件间的距离,测量磁通线,,分别为:<我nl我ne- - - - - -formula> P 2 - - - - - - P 4 = 77年 米 ,<我nl我ne- - - - - -formula> P 4 - - - - - - 年代 2 = 35 米 ,<我nl我ne- - - - - -formula> P 2 - - - - - - 年代 2 = 109年 米 。

描述well-doublet系统只能在春季和夏季的季节,凉爽一些大学的建筑物。

所有CF1系统组件影响都灵浅非承压含水层( 12)(图 2)。从地质、水文地质的角度来看,Politecnico di都灵试验场已经是众所周知的,因为它一直在研究以前的作品( 5, 13]。

都灵的平原延伸Rivoli-Avigliana冰碛的圆形剧场(罗摩)在其西方极端都灵希尔(图在其东部边境 2)。划的一些河流都灵城市面积:锋di Lanzo河(北部边界),都会去桑戈内河河流(南部边界),波河(东部边界)。

皮埃蒙特( 14)记录平原地区的水文地质与高度的信心。信息从钻井和井下测井测试已经证实的存在两个不同的岩性单元具有不同的水力特性,地层单位(图1和2 3)。

地层单位1(中间Pleistocene-Holocene)由冲积覆盖大陆,主要由粗砾石和砂质沉积物与当地下属粘土透镜夹杂物(≤1.5米厚)。地层单位2 (Pliocene-Middle更新世早期)包括浅海洋环境存款(<我talic> Sabbie迪阿斯蒂和<我talic> Argille di Lugagnano)由含有化石的sandy-clayey层与下属细砾质粗砂海洋层以及quartz-micaceous金沙( 15, 16]。冰川沉积平原衬底(第三单元图 2)由一个新生代陆源海洋继承组成的企业集团,砂岩、泥灰土(Piemont三级盆地) 17]。

都灵平原的主要表面排水网络(锋迪Lanzo都会去桑戈内河,多拉锐利,和阿宝河流)通信与非承压含水层水力扩展在整个城市平原(对波河NNW-SSE梯度的0.29%)。

通过步骤减少测试的抽象(GWHP 47米深)系统,一个非承压含水层渗透系数值(K1)<我nl我ne- - - - - -formula> 2。5 × 10 − 3 米 年代 − 1 被评估。基于含水层岩性决定通过检查钻井日志,估计0.20的有效孔隙度。此外,对于地层单位1,等于体积热容值<我nl我ne- - - - - -formula> 1.3 × 10 6 J·m<年代up>3K<年代up>1计算基于岩性composition-weighted意味着记录( 5]。

热传输理论研究了几十年( 8, 9, 19地下热传输,关注不断增加在过去几年由于浅层地热能开发的增长。

专注于浅非承压含水层,热能运动是主要实现了平流引起的介质内的流体运动和传导由通过固相温度梯度和固体和流体之间的热交换阶段。

此外,微分地下水径流路径孔隙规模和异质性的渗透率场在宏观范围内创建热分散现象。

这些机制被多孔介质的热传输方程与地下水流动的假设一致<我nl我ne- - - - - -formula> x 设在(2 d形式,<我nl我ne- - - - - -formula> x - - - - - -<我nl我ne- - - - - -formula> y 水平面),如下所示( 19]: (1) ρ 米 c 米 ∂ T ∂ t + ρ f c f v d ∂ T ∂ x − λ x ∂ 2 T ∂ x 2 − λ y ∂ 2 T ∂ y 2 = H ,

(命名法,见下表 1)。

第一项在方程( 1)代表的能量变化随着时间的推移,<我nl我ne- - - - - -formula> ρ 米 c 米 可以计算的加权算术平均数固体<我nl我ne- - - - - -formula> ρ 年代 c 年代 含水层的水<我nl我ne- - - - - -formula> ρ f c f ( 19]: (2) ρ 米 c 米 = n e ρ f c f + 1 − n e ρ 年代 c 年代 。

第二项的方程( 1)是平流项,达西速度的函数(<我nl我ne- - - - - -formula> v d ): (3) v d = − K ∂ h ∂ x = − K 我 。

第三和第四届方程( 1)办理条件,分别依赖于纵向(<我nl我ne- - - - - -formula> λ x )和横向(<我nl我ne- - - - - -formula> λ y 多孔介质的热导率(<我nl我ne- - - - - -formula> W 米 − 1 K − 1 ),大部分定义的多孔介质导热系数(<我nl我ne- - - - - -formula> λ 米 )和热弥散系数(<我nl我ne- - - - - -formula> α x , y ρ f c f v x , y ): (4) λ x = λ 米 + α x ρ f c f v x , λ y = λ 米 + α y ρ f c f v y 。

在方程(指第一项 1),地下水和土壤之间的瞬时热力平衡可以假定,这意味着一个单点的含水层系统(矩阵和移动地下水)的特点是一个温度(<我nl我ne- - - - - -formula> T )在任何给定的时间(<我nl我ne- - - - - -formula> t )[ 20.]。

此外,地下水径流平流通常有校长对多孔介质中热传输的影响。如果缺乏地下水流动、热传输只发生由于扩散。由于天然地下水存在在大多数情况下,导热性被认为是微不足道的,可以忽略( 12]。

Lo Russo和Taddia 21),通过分析地下水环境监测数据的开环地热发电厂的注水井,凸显了对流热传输组件的流行,使我们能够正确地引用相关的热速度面前Politecnico di都灵advective-type速度开环系统。

热羽流对流速度的价值不同于自然地下水速度的一个因素<我nl我ne- - - - - -formula> R (热阻滞因子)(方程( 5)),导出了考虑热的第二项(方程( 1)): (5) R = v d v p l = ρ 米 c 米 n e ρ f c f 。

通过假设,都灵饱和多孔浅含水层,一个有效的孔隙度值为0.20,Lo Russo et al。 12估计一个<我nl我ne- - - - - -formula> R 系数等于2.4:天然地下水速度会因此偏移速度的2.4倍热羽流(大约1.30 mday<年代up>−1)。

热传输机制在非承压含水层模型通过使用有限元代码FEFLOW®6.2 [ 11),来评估热扰动引起的水回注Politecnico di都灵开环对比。

从水动力和热力参数分配给单位1和单位2 Lo Russo et al。 12)(见表 2)和每小时的数据集<我nl我ne- - - - - -formula> 问 [m<年代up>3一天<年代up>1),<我nl我ne- - - - - -formula> T (°C)测量探针固定在Politecnico di都灵GWHP不断的注入井(P4),我们进行了两个概念模型模拟在hydrostratigraphic单位1代表了利用无侧限冲积含水层(图 4)。

水动力和热力参数的完整列表分配给单位1和单元2表提供 2。

网格的尺寸建立模型中设置等于1914(-)和1525 (SW-NE):模型设计是比网站进行调查,以减少任何假定的边界条件对模型结果的影响。平均网格间距域15 m,精制3 m在井附近的地区改善热羽流决议。选定的网格间距被定义在一个合适的试验测试。

由于缺乏渗透数据和模型的表面特征区域,大部分是由建筑物和道路,因此被认为是不透水,不考虑降雨入渗率。

此外,根据地下水位连续监测、地下水非微扰流可以被认为是稳定的。常数设置头像(狄利克雷条件)西部(230 m a.s.l。)和东部(220 m a.s.l。)边界按照可用现场等势面测量( 14]。

使用的结果不同热日志进行提取和注水井(P2-P4)在抽水和压强计(S2),显示垂直温度变化可以忽略不计,平均天然地下水蓄水层内的温度设置为15.0°C。

由于非饱和区厚度和缺乏对其水力和热力特性的详细信息,建立了绝热条件下的非饱和区地面。

最终,随着Politecnico di都灵GWHPs可变负载操作<我nl我ne- - - - - -formula> P t ,根据建筑的冷却要求,热传输机制在地下被考虑瞬变流动模拟条件。通过多参数探测安装在P2和P4井和S2压强计,电位水平[m],温度(°C),泵和回注率[m<年代up>3一天<年代up>1不断记录。

详细执行仿真数据集覆盖了每小时的冷却时间从2010年(5月25日到30日September-operating 129天)的时间和每小时的冷却时间数据集从2016年(从7月6日到30日September-operating时间为90天)。评估的可靠性产生数值模型,标定为2010年和2016年的数据集是由比较不同温度模拟值和可用的温度测量的压强计(S2)。

造型模型校准后,第二个场景是由移动回注井位置(P4)下游的抽象(P2)。这个条件是必要的,以创造良好的对比结果仿真模型和银行的分析解决方案。的回注井位于下游的抽象以及沿着地下水流动方向确实是一个主要的假设分析解决方案的适用性。

热羽流大小仿真模型的结果相比,那些获得使用热羽流的二维解析解进化在稳态条件下提供的银行( 10]。

根据银行( 10),热羽流长度(<我nl我ne- - - - - -formula> l pl 所示)确实可以近似方程( 6),而下游的最大宽度(<我nl我ne- - - - - -formula> W pl )是由方程( 7)(见图 5)。 (6) l pl = v d ρ f c f ρ 米 c 米 t , (7) W pl = 问 p l 米 v d , 在哪里<我nl我ne- - - - - -formula> 问 pl 是一个常数的最大注射流率(m<年代up>3一天<年代up>1这不是循环抽象井。

此外,使用方程( 7),达西速度<我nl我ne- - - - - -formula> v d 可以得到如下: (8) v d = 问 pl 米 W pl 。

利用方程( 8),然后可能还改写热羽流长度的二维解析解(<我nl我ne- - - - - -formula> l pl )的函数<我nl我ne- - - - - -formula> 问 pl (方程( 9)): (9) l pl = 问 pl 米 W pl ρ f c f ρ 米 c 米 t 。

的适用性描述银行的 10解析解是然而强烈束缚后的有效性主要假设: (1)

均质,各向同性含水层的厚度

考虑到分析Politecnico di都灵测试网站,这些假设可以被认为是有效的,除了存在一个常数注入速度和注入温度、注射泵送率和温度参数,不断随时间变化后真正的能源需求与建筑相关的需求。

因此,我们提供了一个重建一个等价的稳定状态的估计温度(°C)和平均抽运率(m<年代up>3一天<年代up>1)在长期监测时间内(2010年和2016年夏天季节)通过分析可用每小时流量值的统计分布[m<年代up>3一天<年代up>1]。

从统计学的观点来看,每小时回注流率(<我nl我ne- - - - - -formula> 问 t )引入到含水层工厂的操作期间代表一个真正的函数定义在一个样本空间,每一个真正的价值<我nl我ne- - - - - -formula> x 可以把随机变量<我nl我ne- - - - - -formula> X ,存在一个概率<我nl我ne- - - - - -formula> P (<我nl我ne- - - - - -formula> X < x ]。

每一个随机变量<我nl我ne- - - - - -formula> X 的特点是它的概率密度函数<我nl我ne- - - - - -formula> P x (PDF)及其累积分布函数<我nl我ne- - - - - -formula> F x = P X ≤ x (CDF),描述其统计参数:均值和方差(或标准差)[ 22]。

平均值(<我nl我ne- - - - - -formula> μ )的重心是概率密度函数(方程( 10)),而标准差(方程( 11)是一个测量色散的平均值。 (10) μ = ∑ 我 = 1 N X 我 N , (11) σ = ∑ 我 = 1 N X 我 − μ 2 N , 在哪里<我nl我ne- - - - - -formula> N 人口规模。

从可用的每小时的值注入<我nl我ne- - - - - -formula> 问 [m<年代up>3一天<年代up>1),<我nl我ne- - - - - -formula> T (°C),分析了季节,我们首先估计,通过方程( 12),每小时和总热负荷值(<我nl我ne- - - - - -formula> W ]: (12) P 合计 = ρ f c f ∫ 0 t 问 t ∗ Δ T t d t ,

(命名法,见下表 1)。

其次,为了使可用的数据集的两个不同的季节(2010和2016)统计分析比较,我们重新计算每小时流量值(<我nl我ne- - - - - -formula> 问 t )通过使用可用的每小时的热负荷值(<我nl我ne- - - - - -formula> P t )和修复一个常数积极热差异(<我nl我ne- - - - - -formula> Δ T )注入和抽象之间的井(<我nl我ne- - - - - -formula> Δ T (图)在5°C 5)。

重新计算每小时流量数据[m<年代up>3一天<年代up>1)(<我nl我ne- - - - - -formula> N 值:3672 2010;2172年2016年)被绘制在累积分布函数(CDFs)来确定回注稳定放电率值(<我nl我ne- - - - - -formula> 问 t ),可以在银行的正确就业 10解析解(方程( 7)和方程( 9)提供可靠的结果的小胡子尺寸与获得的模拟。

评估的可靠性产生数值模型,标定为2010年和2016年的数据集是由比较不同的模拟温度与可用的压强计的测量值(S2)。

2010年校准模拟返回均方根误差(<我nl我ne- - - - - -formula> σ 0.15°C);考虑到执行的仿真模型2016数据集返回均方根误差(<我nl我ne- - - - - -formula> σ )0.65°C。模拟和测量温度之间的匹配是一个确认的建模假设的有效性和可靠性的小胡子扩展FEFLOW仿真获得的。

尽管2016年赛季的RMSE值高于2010年计算,其价值同样可以被认为是可接受的。RMSE值变成事实上低于参考单元(1°C)选择热羽流的大小(16°C含水层的稳态温度等于固定等于15°C)。

工作在2010年和2016年的热传输模拟,总冷却热负荷和热羽流的最大值<我nl我ne- - - - - -formula> l pl 和<我nl我ne- - - - - -formula> W pl 计算在每个分析季节。

热负荷的值获得的模拟(表 3使用方程()类似的估计与分析 12),这证实了阐述了模型的可靠性。热羽流维度确定考虑到变更的等温线等于1°C(等温线16°C)的初始温度相比15°C(天然地下水温度):<我nl我ne- - - - - -formula> l pl 计算下游距离(米)拒绝;<我nl我ne- - - - - -formula> W pl 被定义为的最大扩展16°C等温线垂直于地下水流动方向(图 6)。

详细的结果的最大尺寸热影响区在2010年和2016年赛季代表人物 7和报告在表 4。

也可以看到数据 8和 9,小胡子达到它的最大尺寸深度30 - 32米的季节,分析最大模拟柱的长度(<我nl我ne- - - - - -formula> l 沿着地下水流动方向)166.69和141.79米,分别。

随后,使用重新计算每小时流量数据分布[m<年代up>3一天<年代up>1),累积分布函数(CDF)(图 10)。

两个仿真时间,热羽流维度相比使用回注获得稳定的放电率值(<我nl我ne- - - - - -formula> 问 t )的值关联到一个提供63%(63%的机会,从每一个随机选择的数据点<我nl我ne- - - - - -formula> 问 数据集低于相应的选择<我nl我ne- - - - - -formula> 问 值)(图 10)。

通过误差分析,提供63%被确认为一个值,有效的结合分析这两个数据集,它允许的估计热羽流宽度通过最小化尺寸错误(详细结果,见表 5)。

报道在表中 5和 6,银行的 10]分析公式(方程( 7)和方程( 9)能够提供有关小胡子尺寸值2010年末的植物功能赛季良好的精确度:小胡子维度都是事实上保守高估了修复提供价值等于63%。

相比之下,2016年冷却的季节,尽管热羽流宽度和长度转向有点低估了,尺寸误差仅限于维度(约20米的详细结果,见表 5和 6)。