（制冷及低温工程专业论文）天津地区井水源热泵项目评价性研究.pdf

摘要 近几十年来，由于能源危机和矿物能燃烧过程对生态环境的污染，使得人们 对生产、生活中的节能和环保问题十分关注。而随着中国工业化程度的进展，建 筑能耗已成为总能耗的重要组成部分，研究和应用各种建筑节能技术事在必行。 井水源热泵技术是利用地下井水作为低温热源，来进行制冷、供暖和生活热水。 由于井水常年基本恒温的特性，使得井水源热泵有较高的c o p 。 本文根据天津地区3 0 多家井水源热泵项目的实际调查走访，收集了很多有 价值的数据和信息，并针对2 个有测试条件的项目进行了实际测量。针对天津地 区井水源热泵项目井水井距主要集中在3 0 m 至9 0 m 之间，井水流速集中在4 0 m 3 h 至8 0 m 3 h 之间，井水流速和回灌温度基本不变的情况进行了建模并使用h s t 3 d 软件对地下井水运移进行了模拟。 由模拟结果可以看出在运行期井水出水温度的变化随着井距的增大而减小， 随着流速的增加而增加。对应井水流速下，均有合适的井距，使得井水出水温度 在1 2 0 天运行期内的变化在一个较小范围内。在任何机组运行工况下，均存在热 平衡时间和热平衡温度温度，达到热平衡时，井水出水温度则不再发生变化。热 平衡时间与井距和井水流量有关，井距越近，井水流量越快，达到热平衡的时间 越短。 针对实际情况，对2 个测试项目使用h s t 3 d 进行了模拟，根据厂家提供的 修正参数，建立了机组运行的模型并进行求解，并于实测数据进行对比。测试结 果表明：( 1 ) 在定井水流速和定井水回灌温度的情况下，当井距大于运行季的影 响半径时，井水出水温度基本不变，不会对系统的输入功率，制冷( 热) 量及 c o p 产生影响( 2 ) 在定井水流速和定井水回灌温度的情况下，当井距小于运行 季的影响半径时，井水出水温度会出现变化。在初始井水抽水温度为1 5 c ，回 灌温度为5 。c ，井距为3 4 m ，井水流速为4 5 5 m 3 1 1 的情况下，运行季前后井水温 度差大约5 左右，此温度还会受运行时间和井水出水温度和井水回灌温度的差 值的影响。会对系统的输入功率，制冷( 热) 量及c o p 产生影响，在循环水流 速和温度不变的情况下输入功率。 关键词：井水源热泵系统井水运移井水出水温度流量c o p a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l e sa r ec o n c e r n i n gm o r ea b o u tt h ee n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o np r o b l e mb e c a u s eo ft h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tp o l l u t i o nd u et ot h ec o m b u s t i o no fm i n e r a le n e r g y a st h ec h i n e s e i n d u s t r i a l i z a t i o nd e v e l o p s ，b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r t o ft h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nb u i l d i n ge n e r g ys a v i n g t e c h n o l o g y w e l lw a t e rs o u r c eh e a tp u m pu s e sw e l lw a t e ra st h el o wt e m p e r a t u r eh e a t s o u r c et oc r e a t ec o l do rh o te n e r g y t h ew e l lw a t e rh e a tp u m ph a sah i g hc o pb e c a u s e t h ew a t e rt e m p e r a t u r ei nt h ew e l li sb a s i c a l l yc o n s t a n t t h i r t yp r o j e c t so fw e l lw a t e rs o u r c eh e a tp u m pi nt i a n j i nw e r ei n v e s t i g a t e da n d q u a n t i t yo fd a t e sa n di n f o r m a t i o n sa r ec o l l e c t e da n dm e a s u r e m e n tw e r ec o n d u c t e do n t w oo ft h ep r o j e c t s t h ed i s t a n c ea m i n ew e l l si nt i a n j i na r em o s t l yf r o m3 0t o9 0 m e t e r s t h ew a t e rv e l o c i t ya r em o s t l yf r o m4 0 m 3 ht o8 0 m 3 h t h ew e l lw a t e r v e l o c i t ya n db a c kw a t e rt e m p e r a t u r ea r eb a s i c a l l yc o n s t a n t m o d e lw a se s t a b l i s h e d u s e dh s t 3ds o f t w a r et os i m u l a t et h et r a n s f e ro fw e l lw a t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i a t i o no ft h ew a t e l c o m e so u to ft h ew e l l i nt h eo p e r a t i o nc o u r s eb e c o m es m a l l e ra st h ew e l ld i s t a n c e si n c r e a s ea n db e c o m e b i g g e ra st h ev e l o c i t yi n c r e a s e t h e r ei sas u i t a b l ew e l ld i s t a n c et om a t c ha l o n gw i t h t h ew e l lw a t e rv e l o c i t yt om a k et h et e m p e r a t u r eo fw a t e rc o m e so u to fw e l lv a r i e t yi n as m a l lr a n g ed u r i n gt h e12 0d a y so fo p e r a t i o n t h ei sah e a tb a l a n c et i m ea n dah e a t b a l a n c et e m p e r a t u r eu n d e ro p e r a t i o nc o n d i t i o no fa n ym a c h i n es e t ，a n dw h e ni tc o m e s t oah e a tb a l a n c es t a t e ，t h et e m p e r a t u r eo fw a t e rc o m e so u to fw e l li sn ol o n g e rt o c h a n g e t h eh e a tb a l a n c et i m ei sr e l a t e dt ot h ew e l ld i s t a n c ea n d w e l lw a t e rf l o wr a t e ， a n dw i t has m a l l e rw e l ld i s t a n c ea n dab i g g e rw a t e rf l o wr a t e ，t h eh e a tb a l a n c et i m e w i l lb es h o r t e r a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o n ，s i m u l a t i o no ft w ot e s tp r o j e c t sw e r ec o n d u c t e d u s e dh s t 3 d i na c c o r d a n c ew i t ht h em o d i f i e dp a r a m e t e rs u p p l i e db yt h ec o m p a n y , t h em o d e lo ft h em a c h i n es e tw a se s t a b l i s h e da n ds o l v e d ，a n ds i m u l a t i o nd a t e sw e r e i l c o n t r a s t e dw i t ht h em e a s u r e m e n td a t e s t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w ：( 1 ) i nt h e c o n d i t i o nt h a tt h ew e l lw a t e rv e l o c i t ya n db a c kw a t e rt e m p e r a t u r ea r ec o n s t a n t ，a n di f t h ew e l ld i s t a n c ei sb i g g e rt h a nt h es e a s o ni n f l u e n c er a d i u s ，t h ew a t e rt e m p e r a t u r e c o m eo u to ft h ew e l lh a r d l yc h a n g e ，a n di th a sn oi n f l u e n c eo ni n p u tp o w e ro ft h e s y s t e m ，c o o l i n g ( h e a t ) c a p a c i t y , a n dc o p ( 2 ) i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ew e l lw a t e r v e l o c i t ya n db a c kw a t e rt e m p e r a t u r ea r ec o n s t a n t ，a n di ft h ew e l ld i s t a n c ei ss m a l l e r t h a nt h es e a s o ni n f l u e n c er a d i u s ，t h et e m p e r a t u r eo fw a t e rc o m e so u to ft h ew e l lw i l l c h a n g e i nt h ec a s et h a tt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo f t h ew a t e rc o m eo u to fw e l li s15 ， t h eb a c kw a t e rt e m p e r a t u r ei s5 c ，t h ew e l ld i s t a n c ei s3 4 ma n dt h ew a t e rf l o wr a t ei s 4 5 5 m 3 h ，t h a tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e f o r ea n da f t e rt h eo p e r a t i o ns e a s o ni s a b o u t5 ，a n dt h i st e m p e r a t u r ei si n f l u e n c e db yt h eo p e r a t i o nt i m e ，t h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew a t e rc o m eo u to ft h ew e l la n dt h ew a t e rb a c kt ot h ew e l l i t h a sa ni n f l u e n c eo nt h ei n p u tp o w e ro ft h es y s t e m ，c o o l i n g ( h e a t i n g ) c a p a c i t ya n dc o p , a n di nt h ec a s et h a tt h ec y c l i n gw a t e rf l o wr a t ea n dt e m p e r a t u r ea r ec o n s t a n t ，t h ei n p u t p o w e r , c o o l i n g ( h e a t i n g ) c a p a c i t ya n dc o p d e c r e a s e d k e y w o r d ：g r o u n d w a t e rh e a tp u m p ss y s t e m ，t r a n s p o r t a t i o n o fg r o u n d w a t e r , o u t l e t t e m p e r a t u r eo fg r o u n d w a t e r ，f l o wr a t e ，c o p i i i 关于论文使用授权的说明 关于论文使用授权的说明 本人完全了解天津商学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：导师签名：日 期： 6 2 第一章绪论 第一章绪论弟一早z 百。了匕 1 1选题背景 能源是发展一个国家发展的基础。中国能源资源总量比较丰富，其中煤炭占 主导地位。2 0 0 6 年，煤炭保有资源量1 0 3 4 5 亿吨，剩余探明可采储量约占世界 的1 3 ，列世界第三位川。然后，这也决定了中国是一个以煤炭为主要能源消费 方式的国家，并且这种能源消费方式在短期内是难以改变的。近几十年来，由于 能源危机和矿物能燃烧过程对生态环境的污染，使得人们对生产、生活中的节能 和环保问题十分关注。而随着中国工业化程度的进展，建筑能耗已成为总能耗的 重要组成部分。在不同的、不断变化的气候条件下，人们为了获得适宜的生活和 工作环境，就需要采取建筑维护和供暖制冷等技术措施，并耗用大量能源。据美、 英等发达国家统计，其建筑能耗占全国总能源的3 0 以上，而空调能耗又占建筑 能耗的6 5 t 2 1 。而中国建筑能耗也达到了总能耗的2 5 ，其中暖通空调的能耗约 占建筑能耗的一半以上【3 】。如今建筑节能是一个世界性的大潮流，也是现代建 筑技术发展的一个基本趋向。而在建筑空调与采暖中如何充分有效地利用各类能 源，对降低能耗，合理使用能源有十分重大的意义。中国也将建筑节能列为十大 重点节能工程之一，支持节能重点及示范项目，鼓励高效节能产品的推广和应用。 当前整个社会对能源的开发和利用都十分重视，因此热泵作为一种新型的节 能装置，为人们所瞩目。因为热泵是可以利用低品位热量的系统，它可以用大气 及土壤中的太阳潜能以及地下水、地表水的地位热能和工业污水废热等替代商品 能源，实现空调的冬季供暖和夏季供冷。而且热泵可以用电力驱动，采用热泵原 理吸收室外热量向室内供暖，与利用锅炉相比，相当于将污染从热泵使用地转移 到了发电厂所在地，同时由于发电厂具有较高的污染控制水平，采用热泵技术也 减少了环境污染，因而可以说热泵是一种环保且高效节能的空调产品。 国际上，热泵的研究与应用经历了较长的发展过程。热泵的历史可以追朔到 1 9 1 2 年瑞士的一个专利，而热泵真正意义的商业应用也只有近二十年的历史。 美国截止1 9 8 5 年全国共有1 4 ，0 0 0 台地源热泵，而1 9 9 7 年就安装了4 5 ，0 0 0 台， 到2 0 0 2 为止已安装了4 0 0 ，0 0 0 台，而且每年以1 0 的速度稳步增长。1 9 9 8 年美 国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的1 9 ，其中有新建筑中占3 0 。 美国在2 0 0 1 年安装了4 0 万台热泵，降低温室气体排放1 百万吨，相当于减少 5 0 万辆汽车的污染物排放或种植树1 百万英亩，年节约能源费用达4 2 亿美元。 美国自1 9 4 5 1 9 5 0 年就开始了热泵方面的研究，这期间受到两次能源危机的影 响，石油价格上升，给热泵的发展注入了活力。西欧各国主要致力于大型热泵的 第一章绪论 开发与研究，对利用大型热泵供热装置调节区域供暖的尖峰负荷非常重视，取得 了很大的成绩。日本是热泵技术和市场发展最快的国家之一。这是由于日本的能 源十分贫乏，政府面临能源稳定供应和高效利用的双重任务。在1 9 7 3 至1 9 8 2 年 1 0 年间，总能耗对国民生产总值的比值下降了3 0 。这个成绩的取得，热泵技术 的发展起到了重要作用【4 西】。 中国早在5 0 年代，就曾在天津、上海等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水 制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1 9 6 5 年 研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。之后，包括张永铨教授和由世俊教授在 在内的一批热泵专家在热泵的研究方面均有了更大的进展。目前，国内的天津大 学、天津商学院、清华大学、重庆大学、山东建工学院、中国科学院广州能源研 究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。水源热泵系统不管是其理 论研究还是实际的产品开发、工程应用，在我国，尤其是近十年，都得到了长足 的发展。 井水源热泵系统的实际使用情况和实际系统性能的优化越来越受到关注。本 课题是与天津市水利局合作，进行天津市井水源热泵后评价项目。以天津地区现 有井水源热泵系统为调查基本单元，了解目前运行的井水源热泵项目使用情况， 搜集相关数据，寻找典型项目，建立数学模型分析出热泵和井水水温、水量的相 互影响关系，根据分析结果对实际项目中的井水源热泵整体系统评价性研究。 1 2 研究现状 关于井水源热泵系统的问题，目前主要集中在系统模型及性能的研究，应用 性研究两方面。 1 2 1 系统模型及性能研究 模拟仿真技术在热泵研究中的比重越来越大，对于系统中的各主要部件( 压 缩机、蒸发器、冷凝器等) 性能的研究，提出了很多具有实效性的模型，对于蒸 发器和冷凝器，比较著名的有s h a ha n dw a n n i a r a c h c h i 公式，c h e n g 公式c 7 。9 】。 李秋型1 0 】首次将美国a s h r a e 提出的b i n 方法做了改进引入到住宅用水源热 泵系统的能耗分析中，并建立了部分负荷工况下的能耗分析模型，并以实际住宅 为例对模型进行了验证。首次将压缩机与其周围空气的换热过程并入蒸发器模型 中，既简化了数学模型建模和求解难度，又充分考虑了水源热泵机组在没有储液 器条件下的制冷剂液体压缩机启动时的工作情况。为热泵机组的整体优化和参数 匹配等提供基础数据和理论指导。 刘洋【l l 】通过对水源热泵机组定温差、变工况运行时蒸发器侧和冷凝器侧水温 对机组性能影响分析，得到了机组性能随两侧水温变化的数学模型，并利用某厂 2 第一章绪论 家的产品数据验证了模型的准确性。 王矧1 2 1 针对冷凝器和板式换热器的特点，建立了一个比较完善的模型，提出 了一些新的处理方法。将冷凝器按面积等分成若干个微元段，利用每个微元段内 的制冷剂和水的平均温度作为该微元段内的物性温度，减小了由于制冷剂喝水的 物性变化所带来的误差，提高了计算精度。 1 2 2 应用研究 m j h a t t o n 1 3 对美国的一水源热泵项目的运行进行总结。提出了关于深井回 灌水源热泵系统设计中应主意的问题。必要的地下含水层的地质分析，及井的尺 寸和系统设计应该满足未来负荷的增长和供水及回灌能力在长时间运行后的下 降问题。 赵峰【1 4 提出了井水源热泵系统使用地下水的水质标准。对于重碳酸钙镁水化 学类型的武汉地区，在使用井水源热泵时要采用相应的水处理措施。对于矿化度 较高，对金属腐蚀性较强的水源水( 3 5 0 m g 1 ) 直接进入板式换热器会因为腐蚀 而降低机组使用寿命，加装不锈钢( 3 5 0 5 0 0 m g 1 ) 或钛板( 5 0 0 m g 1 ) 的中间换 热器，可延长机组寿命。 b r m e l o y 文章f r e ec o o l i n gw o r k s 加以i t zc o u r t t yh a l lo fj u s t i c e 中对美国一水源热泵项目的设计与运行进行总结，提出运行中所遇到的井壁和换 热器结垢现象，需要定期清洗的问题。 马最良【l5 】认为水源热泵空调系统的节能效果从气象条件、建筑物特点及系统 形式等因素有关，从南到北选择了上海、广州、北京、哈尔滨四个具有不同气象 条件的典型城市，分别对五个不同内外面积比的办公楼水源热泵系统按不同的内 部负荷进行了运行能耗模拟，从而对我国闭式环路水源热泵空调系统做了初步评 价。 辛长征等【l6 j 利用美国的地质调查局编写的h s t 3 d 程序，对一典型双井承压含 水层的速度场和温度场进行了全年运行模拟，由于程序的限制，采用了全年固定 流量和固定温度，模拟结果表明，相距1 0 0 m 的两完整井在冬、夏工况期间出现 了热贯通现象。 宋国掣1 。7 】对水源热泵机组水源侧串联运行特性进行了探索性研究，建立了水 源侧串联运行的机组稳态数学模型，并得出水流量增大，冷冻水温度的提高和冷 却水温度的降低有利用机组c o p 的提高，蒸发器面积的大小相对于冷凝器面积而 已，对机组性能系数c o p 影响更大。在相同温度变化下，水源热泵水源侧串联比 并联在节省换热器面积和压缩机节省输入功率方面具有一定的优势，同时给出在 不同温差及地下水出水温度条件下，水源热泵机组水源侧串联级数的确定方法。 第一章绪论 傅允准【1 8 】从井水源热泵系统耗能、制冷剂和热污染3 各部分进行行了环境分 析。热网( 热电联产) + 冷水机组的年耗煤量最小，但是井水源热泵系统耗能仅 比热网( 热电联产) + 冷水机组的年耗煤量多7 3 ，对于不靠近发电厂的项目还 是十分具有环境意义的。这种环境意义主要体现在c o ：的排放量以及由此引发的 温室效应上。 1 3 本文所做的主要工作 本文研究对象为井水源热泵的整体性能评价，其外部主要影响参数为井水出 水量，出水温度，循环水出水量，出水温度。本文着重对井水出水温度这一参数 进行研究，通过不同井距，不同水量的选取，使得井水出水温度有所变化，从而 对机组c o p 的产生影响。 具体工作如下： 1 、建立地下水流动模型，使用h s t 3 d 模拟软件，对地下水进行流动模拟。 确定井水流量、井距和初始井水出水温度及回灌水温度，求解井水出水温度。 2 、利用厂家提供的井水源热泵机组修萨参数对水源热泵的c o p 和输入功率 模型使用最小二乘法进行拟合，分析井水出水温度对c o p 的影响。 3 、利用实际项目测试数据，对井水源热泵系统的整体性能进行评价，并着 重对井水出水温度对c o p 的影响进行分析。 4 、从水质和回扬角度分析了水源热泵系统维护对系统经济型的影响。 4 第二章天津地区井水源热泵系统应用现状 第二章天津地区井水源热泵系统应用现状 2 1 天津地区井水源热泵系统的发展历史 2 0 0 1 年天津市第一个生产性的井水源热泵系统在天津市华苑新技术产业园 区建成。该系统采用第含水组地下水作为能源交换水源，由于水文地质条件、 成井工艺、成井质量等均较好的满足了井水源热泵系统的回灌要求，回灌取得了 较大的成功，单井最大回灌量达6 0m 3 h 以上。原天津市城市节约用水办公室和 天津新技术产业园房地产开发有限公司对该系统的成功经验进行系统的研究和 总结，完成了管井灌采地下水应用于冷暖空调的试验研究( 2 0 0 2 ) 报告，向全 市推广。成果报告内容主要包括了采灌井的结构研究、试验井地面装置与工艺流 程、井间距对采灌井使用效果的影响、单位使用面积冷热负荷与所需水量的关系 等。 2 0 0 5 年9 1 2 月，天津市水文水资源管理中心在天津市节水科技园、金滦 宾馆、南开大学第二主教学楼三个井水源热泵系统进行了灌采井常压、加压回灌 试验，以研究天津地区水源热泵井的回灌试验方法及回灌规律。 2 0 0 6 年1 2 月，天津市水利局印发了“天津市地源热泵系统管理暂行规定”。 对井水源热泵系统工程的审批、论证、建设、运行管理和日常监测等作了明确规 定。 2 0 0 7 年1 0 月天津市地质调查研究院完成了天津市地源热泵回灌及合理布 井研究报告，为天津市地矿局科技创新项目，主要对天津市井水源热泵系统中 的地下水水源热泵回灌及合理布井等内容进行研究，项目工作期为2 0 0 5 年7 月 至2 0 0 7 年5 月。研究内容包括了天津市地下水水源热泵的开发利用现状及存在 问题分析、影响回灌的水文地质条件分析及适宜性分区、同层回灌中的井距确定、 热泵系统开发中的地面沉降及评价方法、水源热泵井成井技术条件研究、井水源 热泵系统的安装、运行管理和维护、回灌及回扬、天津地区井水源热泵系统建设 论证中水文地质条件评价的方法研究。 2 2 天津地区井水源热泵系统的发展现状 自2 0 0 1 年天津市第一个井水源热泵系统在天津市华苑新技术产业园区建成 第二章天津地区井水源热泵系统应用现状 至今，天津地区己安装的井水源热泵系统总共约3 0 多处，主要位于天津市区以 内，多具备足够的场地空间，需求以供暖+ 空调+ 生活热水和供暖+ 空调为主，仅 有纯雅里住宅区一家单供暖，在论文编写过程中已改用其他供暖方式。其中规模 较大的有天津医科大学第二医院井水源热泵系统、天津市四十二中学井水源热泵 系统及天津市古文化街海河楼旅游商贸区井水源热泵系统。现水源热泵利用的地 层层位主要为第m 、含水层组。井水源热泵系统中多采用同层对井方案，同一 层位一个井抽水，提供回灌水源，另一个井注水。 天津市古文化街海河楼旅游商贸区中央空调是第一个采用异层采灌的热泵 系统，由于充分的利用了不同层位地下水的地温特征，成井数大为减小，运行效 率也大为提高，目前该热泵系统运行正常。 机组之间均采用了机组水源侧串联运行的方式。但是随着使用时间的增加， 井水往往会出现井水出水量不足，回灌困难等问题。对于水量不是十分充足的项 目而言，在夏季负荷较大时容易因井水出水温度过高而失去原有节能意义，甚至 导致机组自动保护停机，影响正常使用。 6 丑恬彘fl彳霹划士f蒜、生聪璀嚣蔷去噬簧剥匾赳邕僵特帐二固 ； o * 礓 l 鹳黼墨 ；9 ( 忒 f 7露= * 。li ，f 鳆 、f 一 、毒川 l 骘一力 # 7 。吣 。， ， ， 蘑既 馥 、f f ， i l 黎 ，f i k ，厂( 辑 ， 。心二i 笤吣爷硼 嚣爵已趟螺嚼喋嚣鼍#m舞嚣撒褂抟 第二章天津地区井水源热泵系统应用现状 2 3 井水源热泵系统开发中存在的问题 天津地区井水源热泵系统建设及运行中存在的主要问题包括水文地质条件 对地下水回灌量的限制，部分热泵系统的运行管理和地下水回灌技术不够完善， 水源热泵井的成井工艺有待提高，部分用户取用水系统的设计、安装存在一些问 题，井水源热泵系统运行过程中对地下水环境的影响。 2 3 1 水文地质条件限制了井水源热泵系统的发展与正常运行 天津市平原区松散岩类厚度大，水源热泵利用的地下水主要为第四系更新统 及新近系地层中的地下水，岩性细，结构复杂，含水层条件差，从地下抽出来的 水经过换热器后难以再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的浪费。相比较 而言，北京地区发展水源热泵的水文地质条件就远优于天津。 回灌过程中由于各种原因导致地层透水性的减小，引起的回灌井注水能力大 幅减弱。影响回灌的因素不仅限于水文地质条件，成井工艺、成井结构、回灌方 法、日常的运行管理等都会对回灌产生较大的影响。部分回灌井水中杂质含量增 大，影响正常回灌和回灌井的使用年限。 2 3 2 地下水资源的利用及环境地质问题的控制 天津市开采大量地下水，已造成严重的地面沉降；井水源热泵运行过程中， 若抽出的水不能全部回灌，则可能引起或加剧地面沉降，破坏地质环境。对于地 下水的使用问题，国家已经有相关的法律、法规、标准出台，应严格执行中华 人民共和国水法和城市地下水开发利用保护管理规定等法规，确保水资源 不受污染，不对地质环境造成灾害。按“天津市实施中华人民共和国水法办 法”第二十四条，“开采地下水，必须在水资源调查评价的基础上，统一规划， 维持采补平衡，防止地面沉降 。基于这种原因，2 0 0 5 - - 2 0 0 6 年天津市在发展 水源热泵上采取谨慎的态度，对新的井水源热泵系统建立进行了严格的控制。 2 0 0 7 年恢复了对水源热泵项目取水的审批，但明确规定：在地面沉降速率大于 3 0 m m a ，地面沉降趋势加重的地区；深层地下水含水组中砂层总厚度小于2 0 m ， 出水量低于6 0 m 3 h 的地区禁止建立新的水源热泵项目。 2 3 3 地下水回灌技术不够完善，成井工艺有待提高 井水源热泵井的成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用对回灌量 均有较大影响。 8 第二章天津地区井水源热泵系统应用现状 2 3 4 部分用户取用水系统的设计、安装存在一些问题 部分用户设备安装不配套，无测压管、多无精滤装置。部分用户热泵系统安 装密封性差。一些用户的采灌系统设计不合理：某公寓井水源热泵系统只用来冬 季供暖，存在严重的热不平衡问题；某企业只能采用井管回灌的方式，回灌压力 大；部分用户水源热泵井地层层位选择存在较大的问题，特别是天津市区选用第 1 i 含水组地层做为采灌井利用层位时，普遍存在水位偏浅，回灌困难的问题。 2 3 5 运行管理不够完善 部分热泵运行管理不够完善，导致回灌运行管理不规范。一些单位缺乏基本 的常识，对系统缺乏基本维护，近三分之一单位运行不回扬，不洗井。多数用户 运行记录不完整( 多无抽水及回灌水水温、水量、水位) 。部分用户水源热泵运 行中采灌井从不互换或频繁的进行互换，均失去了储能的作用。多层采灌井用户 多存在异层混灌的问题。 2 4 本章小结 总体上说，天津地区井水源热泵的研究工作一直在持续的进行，但井水源热 泵工程在天津仍处于起步阶段和探索期。从地面沉降、地下水资源浪费、地下水 水质污染和热污染的角度考虑，天津地区井水源热泵的使用还比较慎重。回灌技 术仍是井水源热泵系统的难点，有待进一步研究和改进。针对井水源热泵建设的 水文地质研究工作仍显薄弱，应加强针对井水源热泵开发利用的工程规范、水源 热泵井回灌等研究力度，以便井水源热泵系统能够作为高效利用可再生能源的节 能方式持续发展。 9 第三章井水源热泵系统地下水模拟 第三章井水源热泵系统地下水模拟 3 1 井水源热泵地下水模拟的基础理论 3 1 1 地下水流动方程 地下水流动的基本假设： ( 1 ) 饱和流； ( 2 ) 满足d a r c y 定律； ( 3 ) 含水层为弹性可压缩； ( 4 ) 地下水是弹性可压缩的； ( 5 ) 坐标系与含水层各向异性的主轴方向一致； ( 6 ) 铅直坐标( z ) 向上为正； ( 7 ) 地下水的粘度随温度变化； ( 8 ) 与对流相比，密度梯度引起的水流可以忽略； 以流体压强p 作为( 相对大气压) 自变量，在上述假设条件下可以建立地下 水的渗流方程为： 掣= v 鲁c v p + p g v z 帕 其中：p 流体压强，p a5 f 时间，s ： 珂孔隙度； p 流体的密度，姆m 35 肛源点的流体密度，姆m 3 ； 七含水层介质的渗透率张量，m 2 ； 流体的动力粘度，姆m s ； g 重力加速度，m s ； g 源点流体进入介质的体积通量强度，m 3 m 3 s 。 需要注意的是当g 0 时，展是进入含水层的流体密度；但是，当g - o 其中： o 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 互l l l l l m m m m m 第三章井水源热泵系统地下水模拟 p 广为渗流区初始压力分布，p a ： p 。为已知压力边界的压力分布，p a ； q 为地下水渗流区域； r 。为已知压力边界； 1 1 广为流量边界； q ，。为二类边界地下水流量，q q q n 分别为x ，y ，z 方向的分量。 对于热量传输的数学模型，可用如下微分方程的定解问题描述： n 8 0 c f t 鼍+ n 即，鼍+ p o c f j 焉+ n 。c ，鼍一。s c b b + ( 1 一，z 坡g 丝o t = v 嘛+ ( 1 一，z k 矽r + v 哩v 丁 一弋n p p f 婴七q p s j s 如y ，z ，f ) i ，却= 昂k 弘z ) t ( x , y , z , d l = p o ( x ，y ，z ，f ) q h 1r 2 = g 触，q 把) 五y ，z q f o ( 1 3 ) x , y , z q 五，z r t 0 y t 五，z il ，2 x , y , z r 2 ，t 0 其中： t 。为渗流区初始温度分布，； t 。为已知温度边界的温度分布，； r 。为己知温度边界； r 广为热流量边界； q 。为热流边界流量，q 小q ”q f z 分别为x ，y ，z 方向的分量。 在方程组( 1 ) 中，偏微分方程右端的四个子项依次为热传导项、热动力弥 散项、热对流项和源汇项，式中其它符号的物理意义同前。 含水层地下水的流动和热质的迁移存在相互影响。自然界的热质迁移可以通 过热传导、辐射、表面热交换等方式进行，但含水层最重要的热质迁移是地下水 引起的对流传热，这种对流包括水力驱动的对流和热力驱动的对流。水力驱动的 对流指由于含水层水头分布不均匀引起的水流运动，地下水动力学对此已经有成 熟的描述。热力驱动的对流指由于温度分布不均匀而引起的宏观水流运动，例如 贝纳德一瑞利( b e n a l d - r e i l i ) 环流。在忽略辐射传热条件下，可以把含水层的热 质迁移称为对流一弥散传热过程，非稳定的对流一弥散传热过程引起温度场的变 化。反过来，温度的分布和变化也会影响到地下水的流动，主要是两种方式：( 1 ) 1 4 第三章井水源热泵系统地下水模拟 含水层的渗透系数依赖于温度，因为地下水的粘度对温度变化比较敏感； ( 2 ) 温度变化会改变地下水的密度，造成热胀冷缩，当温度变化不均匀时会改变地下 水的流动状态。因此，在考虑温度的作用时，地下水的运动可称为热感地下水流 过程。 含水层内的热感地下水流过程和对流一弥散传热过程，可以借助于多孔介质 的渗流和传热理论进行解释。然而，对上述两个过程建立完备的耦合理论是十分 困难的，我们仍然需要很多假设，忽略一些次要的自然过程，以建立简化的理论 模型。 3 1 7 地下水模型的求解方法 通过了解多孔介质水热迁移数值模拟的国内外进展，发现了早已由k e n k i p p 博士开发的h s t 3 d 程序。h s t 3 d 包容了含水层中水流、热流、溶质运移的耦 合数值算法，并且对井孔局部渗流建立了比常规模型更加精细和准确的计算方 法。其源代码用f o r t r a n 语言写成，实行共享，这给我们提供了很大的帮助。2 0 0 6 年，科学家对h s t 3 d 进行改进，包括引入更加灵活的分布参数设置、处理连续变 化的井流量和温度等，形成了h s t 3 d c u g 版本。本论文使用h s t 3 d 进行模拟地下 水的热迁移和地下水流动。 由于模拟时对水井( 竖井) 的处理比较复杂，h s t 3 d 对井考虑了多种情况， 主要包括四个部分： ( 1 ) 井冒、冒口； ( 2 ) 井孔； ( 3 ) 筛管、过滤器； ( 4 ) 水井的基准点，或称井底，位于井孔顶部、井冒底部。 第三章井水源热泵系统地下水模拟 地面 豳 软 蔽 鞍 筛管 含水层 图3 2 水井的结构 筛管可以具有若干段，分别对应不同的含水层，因此穿越筛管的流量是非均 匀分配的，它们的总和为井的抽水注水流量。采用以下方法对流量进行分配： ( 1 ) 流量系数压差法 筛管流量按照流量系数分配，流量系数为m ，相当于权重因子，每段筛管 对应的流量为： q i ： ( p ，一仇) 鸠 f 2 0 ( 1 2 ) 其中：p ，水井周围含水层在筛管位置的压强( 数值计算中井点所在格点的 压强) ； p 。筛管处的井孔压强，可以按高度变化，也可以处理为同一数值。 如果是后一种方法，实际操作时是给出基准点压力( 压强) 。 ( 2 ) 井底压力约束法 流量分配按照上述公式，但是存在约束条件。对于注水井，先给定流量计算 井底( 指水井的基准点) 压力，如果井底压力大于约束值，则变成定压力条件， 流量将小于给定流量。对于抽水井，如果井底压力低于约束值，则抽水流量将由 压力条件控制。因此，这种方法可以使井孔在定水头与定流量边界之间切换。 ( 3 ) 给定井底压力 相当于定降深井，即式( 1 2 ) 中的风为已知，井流量通过计算得到，不进行 切换处理。 1 6 第三章井水源热泵系统地下水模拟 一定的边界条件和初始条件可以与方程( 1 ) 和( 4 ) 构成含水层耦合水流一热流 的定解问题，对三维空间获得其解析解是非常困难的，通常需要利用数值方法进 行求解。h s t 3 d 对此采用节点型网格差分模型做模拟计算，即用矩形网格离散化 模拟空间，自变量定义在节点上，对每个节点写出方程节点型网格( 1 ) 和( 4 ) 或边 界条件的差分格式，然后求解离散化的方程组。这种节点型网格差分模型的重要 特点之一，是介质参数的定义方式，含水层介质被定义在节点与节点之间的空白 区域。因此，模型空间内存在两种单元体，一种是单个节点的水均衡控制单元， 由相邻节点的中垂面围绕而成的六面体，另一种是由相邻的8 个节点组成的介质 单元体。孔隙流体压强、水头和温度等变量定义在水均衡控制单元内，而渗透系 数、热弥散系数等介质参数定义在介质单元体中。差分方程是根据水均衡控制单 元的水热存贮与界面通量之间的关系建立的。 在时间离散化方面，h s t 3 d 可以采用全隐式或半隐式( c r a n k n i c o l s o n 格式) 差分格式。耦合过程的处理需要用到迭代法，h s t 3 d 以地下水密度的相对变化达 到一个规定的极小值为收敛条件。 地下水源热泵采能对地温场的影响是集地下水流和热运移于一体的复合问 题。如前所述，地下水流和热运移的扩展系统方程中均包括压力和温度两个变量。 因此，应用数值法求解地下水流和热运移的数学模型，必需将子模型( 1 2 ) 和( 1 3 ) 联立求解。与其它数值模拟软件基本相同，h s t 3 d 程序将地下水流方程和热传递 方程进行数值离散，应用达西( d a r c y ) 方程( 2 ) 将方程式进行耦合，并联立成大 型方程组，再通过增加适当的定解条件，最终可求解出不同计算时刻各离散节点 的压力和温度分布结果。在上述方程组的求解过程中，程序首先求解压力方程， 通过压力方程和式( 2 ) 计算出渗流区的速度场，再将速度场的计算结果代入温 度控制方程，然后求解温度方程。对于每个时间步长，程序通过多次迭代和反复 求解压力场、速度场和温度场，直到压力和温度的计算结果满足给定精度要求。 图3 3 为h s t 3 d 程序的计算流程框图，所选参数见附表。 对于h s t 3 d 软件，程序运算基本步骤如下： ( 1 ) 读入输入文件、查错、初始化、输出相关说明信息、进行存储空间分 配： ( 2 ) 读入静态信息、查错、初始化、输出静态信息； ( 3 ) 读入动态信息、查错、初始化、输出动态信息； 1 7 第三章井水源热泵系统地下水模拟 ( 4 ) 从第一个时间步长开始，根据边界条件和源汇项，计算地下水流和热 运移方程系数； ( 5 ) 矩阵组装，依次求解压力方程、流速方程和温度方程，反复叠代至计 算结果满足精度要求； ( 6 ) 水量和热量均衡计算、统计； ( 7 ) 输出该步长的计算结果； ( 8 ) 返回至( 4 ) 计算下一步长的压力和温度，直到完成一个应力期。若完 成一个应力期，返回至( 3 ) 重新读入下一应力期的边界条件和源汇项动态数据 信息。重复( 4 ) 至( 8 ) 完成每个应力期，重复( 3 ) 至( 8 ) 直至模拟期结束； ( 9 ) 模拟结束，关闭文件。若上述程序计算过程中发生错误，输出出错前 的计算结果和错误提示信息，就此终止程序。 本论文在模