热负荷对同井回灌地下水源热泵抽水的影响

热负荷对同井回灌地下水源热泵抽水的影响

0同井回灌地下水源热泵回灌排水率及含水层单位面积、厚度、构成模型地下水源热泵的最小水源是地下水。地下水的温度和全年变化很小。地下水源热泵机组的供热季节性能系数和能效比很高,相对于空气源热泵系统,能够节约23%～44%的能量,减少高峰需电量,对于减小电网峰谷差有积极意义。实测表明,地下水源热泵的效率和出力不受室外气温的影响;随着室外气温的降低,其效率增加。同井回灌地下水源热泵秉承了地下水源热泵的优点,并且减少了水井个数,从而减小了占地面积,节省了初投资。但由于同井回灌地下水源热泵抽水和回灌在含水层同一径向位置不同深度处同时发生,增加了热贯通的可能性。不同地区的不同建筑物具有不同的负荷特性,这必然会对同井回灌地下水源热泵地下水渗流和换热产生影响。为了初步了解此影响,笔者模拟研究了负荷对抽水和回灌降深及对抽水温度和热影响范围的影响。本文讨论时把建筑物热负荷简化成供暖季平均负荷,根据这个负荷给出同井回灌地下水源热泵的抽水流量和抽回水温差。本文中的计算含水层为细砂含水层,含水层厚度B=30m,无越流,水平、竖直渗透系数分别为7.3×10-4,7.3×10-5m/s,渗透系数比(水平/竖直)为10,热弥散率为α=1m。含水层顶、底板岩土层分别为黄土、黏土,等温层距底、顶板的距离be1=be2=15m。其热物性参数如表1所示。地下水的导热系数为0.60W/(m·℃),热容量为4176kJ/(m3·℃)。水井设计参数为:抽水滤网距含水层底板的距离b1=1.5m,抽水滤网长度bs1=9.0m,抽回水滤网间距b0=7.5m,回水滤网长度bs2=10.5m,井半径rw=0.1m,热泵连续运行120d。1控制好抽回水高差,影响了现有的地下水起本文所用的渗流模型忽略了温度变化对含水层渗透系数、储水系数和密度的影响,这对于温度变化不大的系统,不会带来大的误差。当抽水流量不变时,抽回水温差的改变不会影响抽水和回灌的压力。因此,仅考虑负荷改变引起抽水流量的变化对抽水和回灌的影响。图1给出了抽水和回灌降深(相对于地下水初始水头的水头变化,水头降低为正值,升高为负值)随抽水流量的关系。由图中可以看出,抽水和回灌的降深绝对值与抽水流量成正比。当抽水流量增大时,抽水和回灌的降深绝对值均线性增加,从而增加抽水和回灌的难度,增大潜水泵的功耗。2调整热泵负荷分三种情况讨论:a)保持热泵的抽回水温差不变(Δth=5℃),通过改变井水流量来改变热泵负荷;b)保持井水流量不变(Gw=50m3/h),通过改变热泵抽回水温差来改变热泵负荷;c)同时改变井水流量和抽回水温差来保持热泵负荷不变(Gw×Δth=250m3/h·℃)。2.1按热泵流量控制抽灌同井的抽水量图2给出了不同抽水流量时抽水温度的变化情况(相对于含水层初始温度,降低为负值)。由图中可以看出,井的出水温度随水流量的变化而剧烈变化。当抽水流量增大时,井的出水温度降低,抽水流量从15m3/h变化到100m3/h,热泵运行120d水井的出水温降从1.1℃增大到5.7℃,对于地下水温度较低的地区可能导致水井的热贯通失效。因此,对于一定的含水层,即使在抽水和回灌压力许可的范围内,单口井的抽水流量亦应有一定的选择与限制。在同一地质条件下,抽水流量大的井比抽水流量小的井热贯通可能性要大。因此,在实际工程中如何选择抽灌同井的抽水量对避免出现大的热贯通十分重要。图3给出了该计算条件下热泵运行120d时的热影响范围(定义为含水层和其顶、底板温度变化为-0.001℃的最远径向距离)。由图可知,随着热泵流量的增大,热影响范围也随之增大。尤其在抽水流量较小时,这种变化非常显著,当抽水流量较大时,热影响范围增大的量有所减小。抽水流量从15m3/h变化到100m3/h时,含水层热影响范围从46.3m增大到88.7m,增加了42.4m。2.2按抽回水高差变化情况计算图4给出了不同抽回水温差时抽水温度的变化。由图中可知,随着抽回水温差的增大,抽水温度降低。而抽水温度降低的幅度又与运行时间的长短密切相关。从热泵运行120d时井的出水温度变化可以看出,抽水温度的变化与抽回水温差基本呈线性关系。在本计算条件下,热泵运行120d时抽回水温差每增加1℃,抽水温度降低0.72℃,变化速率为0.72℃/℃,而且变化速率随着供暖期的延长而增大。图5给出了该计算条件下热泵运行120d的热影响范围。由图中可以看出,虽然抽回水温差不同,但热影响范围基本相同。也即是说热泵负荷增大时,若靠提高抽回水温差来满足负荷要求,那么含水层和其顶、底板岩土层的取热范围基本不会变化,而在热影响范围内含水层和顶、底板岩土层的温度会随负荷的增加而线性降低。当负荷大到一定程度时,通过改变抽回水温差来满足负荷的要求就会难以实施。2.3抽回水高差对热泵热影响的影响负荷相同时热泵从低位热源中的取热量相同,即GwΔth为常数,但可以有不同的抽水流量和抽回水温差。图6给出了GwΔth=250m3/h·℃时,热泵运行120d抽水温度变化与抽回水温差的关系。由图中可以看出,在相同的热泵负荷条件下,热泵抽水温度随着抽回水温差的增大而降低,当抽回水温差从3℃变化到8℃,也即抽水流量由83.33m3/h变化到32.25m3/h时,抽水温降从3.0℃增加到4.1℃,增加了38%。负荷相同时,抽回水温差增大,抽水流量减小。抽回水温差的增大会使井水水温下降变快;而抽水流量的减小又会使井水水温下降变慢;但二者的综合作用结果是使井水水温下降变快。也即是抽回水温差比抽水流量对抽水温度的影响更大。因此,对于热贯通严重的含水层中的同井回灌地下水源热泵,在抽水和回灌经济的条件下应采用小抽回水温差和大抽水流量。当然这会增加抽水和回灌的难度,加大水泵的能耗。合理的抽回水温差的确定应考虑到含水层允许的温降,抽水温度变化对热泵效率的影响和抽水、输送、回灌的水泵功耗。图7给出了相同负荷热泵运行120d的热影响范围随抽回水温差的变化情况。由图中可以看出,随着抽回水温差的减小、抽水流量的增大,热影响范围随之增大。由于热影响范围的增大,使得热影响范围的最远端在回水滤网的上端平面上,负荷相同时,可以起到减小抽水温降的作用。也就是说抽回水采用小温差、大流量有利于避免出现大的热贯通,但也应注意到此时会引起抽水和回灌降深的绝对值加大,增加抽水和回灌的难度。因此应综合考虑,合理确定抽回水温差。从图3,5,7的比较可以看出,抽水流量是影响含水层热影响范围的主要因素。3抽回水高差和大集水水调湿3.1抽水和回灌降深的绝对值随着抽水流量的增加而线性增加,从而增加抽水和回灌的难度,也增大了潜水泵的功耗。3.2热泵负荷增大时,若增加井水流量,抽水温降会降低,但热影响范围会随之增大,从而起到减小抽水温降的作用。抽水流量是影响含水层热影响范围的主要因素。3.3热泵负荷增大时,若加大抽回水温差,含水层及其顶、底板岩土层的取热范围基本不变,但它们的温度会随着负荷的增大而线性降低,从而导致抽水温度显著降低。3.4在相同负荷条件下,