地下水渗流与地缘热泵

1、地下水渗流对地源热泵的影响一、 地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消 耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方， 在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中， 达到降温或制冷的目 的。地源热泵不需要人工的冷热源， 可以取代锅炉或市政管网等传统 的供暖方式和中央空调系统。地源热泵是一种先进的技术，它高效、 节能、环保，有利于可持续发展，在欧美应用较为广泛，但在我国尚 处于起步阶段。地源热泵工作原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土 体）中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并 转移释放到地源中， 实现建筑物空调制冷。 根据地热

2、交换系统形式的 不同，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统 和地埋管地源热泵系统。地源热泵性能影响因素主要有：1. 回填材料 有效的回填材料可以防止土壤冻结、收缩、板结 等因素对埋管换热器传热效果造成影响，提高埋管换热器的传热能 力，同时也可有效防止地下污染物对埋管的不利影响， 因此选择适当 的回填材料对地源热泵的性能起着重要的作用。 目前应用的回填材料 主要有沙土混合物、水泥灰浆、火山灰黏土、钻孔岩浆、铁屑砂混合 物等。2. 埋管形式 对于地源热泵的埋管形式一般可分为水平埋管和 垂直埋管。 由于水平埋管通常是浅层埋管， 因此相对于垂直埋管而言换热能力小，但初投资少。在实际运

3、用中，垂直埋管多于水平埋管。 对于水平埋管，按照埋设方式可分为单层埋管和多层埋管两种类型， 按照管型的不同， 又可分为直管和螺旋管两种。 由于大地表层的温度 分布曲线在夏季是随深度的增加而降低， 因此多层埋管形式下层管段 处于一个较低的温度场， 传热条件优于单层管， 也即换热效果要比单 层管好。单层管最佳深度为0 810m，双层管为1219m，所以在实际运用中，单层管和多层管可互相搭配。为强化传热，水平埋管 可采用螺旋管，其性能系数要优于直管。螺旋管形式的热泵COP系 数比直管高02，单位埋管换热量增加近1 0W/m。因此，可利用 土壤面积较小时，宜采用螺旋管形式。3. 管材热特性 地下埋管换

4、热器与土壤换热量的大小，受很多 因素的影响，不仅与管材的热导率有关 ,还应考虑管材的承压能力、 抗扭曲能力等。4. 岩土热特性 土壤的基本成分是矿物质、有机质、水分和空 气。在土壤组成成分中，空气的热传导系数最小，矿物质的热传导系 数最大，为空气的 100倍，水的热传导系数介于两者之间。地源热泵 系统的性能与土壤性能是紧密相关的， 而土壤性能又和土壤的含水量 有关。根据研究表明，潮湿土壤的地源热泵性能系数COP要比干燥 土壤的COP高35%。当土壤含水量低于15%时，随着含水量的 降低，热泵的循环性能系数将迅速下降；土壤含水量在2 5%以上， 地源热泵的性能将会得到有效的提高； 而当含水量超过

5、50%后， 热 泵循环性能系数提高的趋势减缓。 岩石孔隙率的大小、 孔隙中填充物 的导热性以及湿度对岩石热导率有明显影响。 一般而言，同一种岩石， 孔隙率大的岩石的热导率小， 而且，如果孔隙中填充热导率大的物质， 则可使岩石热导率增加。 含水岩石的热导率大大高于干燥岩石和水的 热导率。同一地区地下岩土的热物性及含湿量都可能存在或大或小的 差异。因此，可采取更稳定的回填介质、添加能降低土壤临界含湿量 的介质、采用人工加湿等必要技术措施加以改善。5. 地下换热器介质循环流量地下换热器的介质循环流量越大，单位埋管换热量越大， 能效比也越大，但过大的循环流量必然导 致埋管系统运行能耗的增加； 而循环流

6、量过低，可能会产生结冰现象。 因此，适宜的运行参数要通过分析系统的各个组成部分的性能而确 定。6. 管间距 在U形管的埋设中很重要的是要考虑U形管之间以及U形管本身进出管之间温度场的相互影响。 工程上对于2 0mm和 15mm的小管径，间距取为3 m左右，而对于2532mm的大 管径，间距保持在57 m为宜。一般来说，在相同情况下，管径越 大，换热能力越强，水平温度场影响距离越大，因此，水平间距也要 大些。7. 地温 地源热泵地下换热器的物理尺寸与地下温度场有直接 的联系。因为地点不同，纬度及地下岩土材料不同，相应的地下温度 场也有差异，而地下温度场及地下岩石温度又直接决定了地下换热器 的物理

7、尺寸。、地下水渗流渗流指地下水在岩石空隙中的运动称为渗透 （流）。发生渗流的 区域称为渗流场。岩石具有被水透过的性质称为渗透性 （透水性）。理 想渗流指地下水充满整个含水层（包括空隙和固体骨架）。理想渗流应具有以下性质：理想渗流通过任意断面的流量应等于真实水流通过同一断面的实际流量；理想渗流在任意断面的压力或水头必须等于真实水流在同一断面的压力或水头； 理想渗流通过岩 石所受到的阻力必须等于真实水流所受到的阻力。（一）过水断面指含水层中水与渗流流向垂直的的断面， 包括骨架和空隙在内的 断面。可以是平面，也可是曲面，其大小可随渗流方向变化。实际过水断面面积指扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积。

8、一种假想的流速，不是地下水的真正渗透流速，而是假设水流通 过包括骨架与空隙在内的整个断面时所具有的一种虚拟流速。渗透流速（V）实际流速（u）两者的关系:nene有效孔隙度，为重力水流动的空隙空间（二）水力坡度：指沿渗透途径上的水头降低值（损失）与相应的渗流长度之比。H, - H 2HhIl-2Ll物理含义：代表渗流过程中，单位渗透途径上机械能的损失。渗流过程中总机械能的损耗原因（与水力学相近）：液体的粘滞性 （水质点间的摩檫阻力）及固体颗粒表面对水流的反作用力 （水与隙壁 间的阻力）。（三）流线与流网流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线， 该曲线上各个水 质点的流速方向都与这条曲线相切。迹

9、线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹（稳定流 条件下流线与迹线重合）。等水头面：渗流场中水头值相等的各点连接起来在空间上构成的 面。可以是平面或是曲面。等水头线：平面上或剖面上水头相等的线。（四）流网特点1. 流线与等水头线垂直（正交）；2. 相邻两条等势线间的势差为常量，相邻两条流线间的通量为 常量；3. 等水头线（面）与流线（面）不是两个独立问题，知道一方 就可据正交原则推求另一方。五）地下水运动的分类1. 层流与湍（紊）流层流：水质点作有秩序、互不混杂的流动。紊流：水质点作无秩序、互相混杂的流动。 地下水多为层流（除在宽大空隙中，如岩溶管道、宽大裂隙） 。2. 稳定流与非稳定流

10、 稳定流：水流运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变。 非稳定流：运动要素随时间改变的水流运动。 地下水普遍呈非稳定流运动，稳定流是其特殊情况。3. 缓变运动与急变运动 天然状态下，地下水多属缓变运动。其特征：（1）流线弯曲很小或曲率半径很大，近似于直线；（2）相邻流线间夹角很小或近于平行。这时， 各过水断面可看成是一个平面， 在同一过水断面上各点的 水头相等，因此， 这种假设可将三维流简化为二维流，从而解决复杂 的三维流计算问题。不具备上述条件的称为急变运动。三、地下水渗流对地源热泵运行性能的影响 影响土壤耦合热泵系统性能的因素是多方面的，包括地下水流 动、回填材料的性能、土壤物性参数的

11、变化等等， 而地下水渗流对 地埋管传热过程的影响是土壤源热泵系统的关键研究内容之一。地下水渗流直接影响了地埋管换热器与土壤间热量传递， 进而影响了热泵系统的运行特性、系统的经济性与节能效果等等，因此，研 究地下水渗流对地埋管换热器的影响具有重要的意义。本文将土壤设置为均匀、各向同性的多孔介质，建立了地埋管换热器的实际模型， 考虑了地下水渗流对地埋管换热器传热的影响，将地源热泵机组的 进、出口水温及机组负荷拟合成公式，通过编辑UDF(User-Defi nedFunction)程序将其导入FLUENT软件中，进而实现了基于动态负荷 需求通过土壤耦合热泵系统对地下土壤进行取热和释热。(一)热渗耦合

12、作用下地埋管换热器传热过程的数学模型地埋管换热器与周围土壤之间的传热过程是一个复杂的、 非稳态 的传热过程，且通常需要进行较长时间的运算， 该过程所涉及的几何 条件和物理条件也都很复杂。为了便于分析，对地埋管换热器的物理 模型作如下近似假设：(1) 将土壤看成一个均匀的、各向同性的多孔介质，忽略质量力， 假设埋管处于土壤饱和区，埋管周围土壤物性均匀一致，且物性参数 为常数；(2) 不考虑热辐射影响和粘性耗散；考虑地下水渗流对传热过程 的影响，并设地下水渗流速度一致且方向单一；(3) 钻孔区域回填材料与原土壤相同，忽略回填材料与原状土壤热物性的差异。1.1系统运行时的数学模型(1) 管内流体的能

13、量平衡方程：dt f22 dtf I(2)管壁能量平衡方程:(3)地下土壤能量平衡方程:Sr 八甘 dy2) w (pc)s dx1.2系统停止运行时候的数学模型:dtf 22卩 dtr dr (pc)z dn式(4)与式(2)、(3)构成了土壤耦合热泵系统停机时的数学模型。上述式中：u为埋管内水流速，m/s;uw为渗流速度，m/s;t为温度，C；入为导热系数，W/(mC)； ri为地埋管内径，m; r0为地埋管外径，m; p c为热容量，J/(m3C)； a为埋管内壁面对流换热系数， W/(m2 C) ； t为时间，s; a为导温系数，m2/s; x、y、z为坐标， n为法向；下标f表示流体

14、，s表示土壤，p表示埋管。1.3实验分析(1) 土壤耦合热泵单管系统全年运行，地下不同深度地埋管周围土壤的平均温度如图1图2所示。分析图1图2可知：在无渗流条件下，供冷期结束后，地下不 同深度土壤的平均温度随土壤深度的增加逐渐降低，地埋管进、出口 平面土壤的平均温差约为 0.6C，供暖期结束后，地下不同深度土壤 的平均温度随土壤深度的增加逐渐升高，地埋管进、出口平面土壤的 平均温差约为0.4C ;在有地下水渗流的情况下，地埋管不同深度土 壤的平均温度大致相同，当地下水渗流速度v=5.4 x 10-8m/s时，供冷期结束后，地下不同深度土壤的平均温度约为292.9K293.0K,供暖期结束后，地

15、下不同深度土壤的平均温度约为288.0K288.1K;当地下水渗流速度 v=5.4x 10-6m/s时，供冷期结束后，地下不同深 度土壤的平均温度约为 291.4K291.5K,供暖期结束后，地下不同 深度土壤的平均温度约为 288.6K288.7K。供冷期结束后地下不同探度土壤的平均温度图1供冷期结束后地下不同深度土壤的平均温度供底朗结束后掃下兀同探厦土準的平均温度婚蟻也腰 71-5.4x1 D-Gn-工图2供暖期结束后地下不同深度土壤的平均温度(2) 单管系统全年运行，不同地下水渗流条件下地埋管全年逐时出水温度如图3所示图3不同地下水渗流条件下单管全年逐时出水温度分析图3可知：在有地下水渗

16、流的情况下，地埋管全年逐时出水温度低于无渗流情况下地埋管全年逐时出水温度；对于单管，当地下 水的渗流速度在 5.4X 10-8m/s5.4X 10-6m/s范围内变化时，地下水 渗流对地埋管全年逐时出水温度影响较小，在此渗流条件下的地埋管 全年逐时出水温度大致相同。（3）无渗流情况下，地埋管管群系统周围的土壤温度场基本是 以地埋管为中心为对称分布的， 供冷期结束后， 管群周围土壤的平均 温度较土壤初始温度升高了约 5.4C，供暖期结束后，土壤的初始温 度较土壤初始温度升高了约2.9C,可见，在无地下水渗流的情况下， 系统全年运行地埋管周围土壤的平均温度将逐年升高； 有地下水渗流 情况下的土壤温

17、度场发生了形变， 地下水的流动显著地降低了地埋 管管群系统周围土壤的温度， 地下水渗流速度越大， 地埋管周围土壤 的热量扩散的越快，当地下水的渗流速度由5.4 10-8m/s增大到5.4x 10-6m/s时，供冷期结束后，地下 50m深土壤面的平均温度由 294.5K下降到293.3K，供暖期结束后，地下50m深土壤面的平均温 度由 290.6K 下降到 288.6K。（4）与地埋管单管系统相比，管群系统的各个单管之间存在着 热干扰，土壤中的热量不易扩散， 地下水渗流对顺流方向的土壤造成 热堆积，以地下水渗流速度 v=5.4x10-6m/s 工况下的土壤温度场为 例，从图中我们可以看出， 供冷

18、期结束后，沿地下水顺流方向每一竖 排地埋管周围土壤的平均温度由 292.3K升高到294.6K,供暖期结束 后， 沿地下水顺流方向每一竖排地埋管周围土壤的平均温度由 289.5K下降到288.2K,因此，在实际工程中要注意地埋管的埋管间 距设计问题。（5）土壤耦合热泵（管群）系统全年运行，地埋管周围土壤的平均温度以及不同渗流条件下埋管全年逐时出水温如图4图5所示。图5不同地下水渗流条件下管群全年逐时出水温度分析图4、图5可知：地下水渗流不利于土壤的蓄热，当地下水的渗流速度由 5.4 10-8m/s增大到5.4X 10-6m/s时，供冷期结束后土壤的平均温度由 294.3K下降到293.1K;地下水渗流有助于土 壤温度场的均匀恢复，地下水渗流速度越大，土壤中的热量累积越小， 土壤耦合热泵系统运行一个周期（一年），当地下水渗流速度等于 5.4 x 10-8m/s时，土壤的平均温度升高了0.6C，当地下水渗流速度等于5.4x 10-6m/s时，系统全年运行地埋管周围的土壤中没有热量累 积；在土壤耦合热泵系统运行的第一个周期里，制冷工况时不同地下水渗流条件下地埋管逐时出水温度大致相同， 制热工况时地埋管逐 时出水温度随地下水渗流速度增大而逐渐降低， 这是由