区域流场对水源热泵优化布井影响的模拟 zhong

1、区域流场对水源热泵优化布井影响的模拟胡俊生、李世孝、潘俊、康然然、吴燕萍摘要：结合实地区域地下水流场水文地质条件，模拟不同设计方案下热泵周期运行过程中抽灌井附近地下温度场和等水位变化特性。研究表明，热泵工程优化布井不仅要合理布置井距，还要充分了解区域地下水流场变化方向，保证抽灌井水量和水温均满足热泵高效运行要求。关键词：区域流场；优化布井；热突破；模拟引言：水源热泵是一种比较有代表性的成熟的低耗能采暖技术，为能源结构调整带来了一个比较可行的实施方案1。与常规空调系统相比，水源热泵空调系统的性能系数较高，且应用水源热泵才能技术还可减少因过多采用常规能源造成的大气环境污染，其社会需求量不断增加2-

2、3。然而 ,水源热泵空调系统并非完美 ,部分水源热泵空调系统的运行效率不高即是问题之一4。由于系统的抽灌井布局方案不合理 ,抽灌井井距太短 ,或相邻水源热泵系统太近 ,地下水区域流场干扰5,致使水源热泵空调系统的运行效率较低。本文通过应用FEFLOW和DPS软件，对沈阳市诚添大厦在合理的假设条件下，对理想承压水层中不同井对间距条件下温度场和水流场进行了定量模拟和定性分析，给出合理工程建议方案，对实际工程有一定意义。1.区域水文地质条件1.1区域含水层特征全新统冲洪积砂砾石孔隙潜水含水层岩性为砂砾石、砂卵石，含水层厚度8.89.0m左右。其补给源以地下迳流补给与大气降水为主。该层地下水为孔隙潜水

3、。上更新统冲洪积砂砾石孔隙潜水含水层岩性为砂砾石、砂卵石，含水层厚度19.0 m左右。其补给源以地下迳流补给为主。该层地下水变为孔隙潜水。下更新冰洪积砂砾石微承压含水层该含水层是由砂砾组成含粉质粘土，成半胶结状，砂砾石微风化。该层揭露厚度21.0m，为承压含水层。1.2地下水主要特性 研究场区在诚添大厦湿地工程场区未停止开采前水位埋深为5.0-6.0m，背景温度为12，孔隙度0.20，给水度0.3。导热系数、 比热容、 热弥散张量等参数根据场区周边以往试验值和经验值确定6。地下水流向为由东北到西南，水力坡度为1-2。2.工程概况2.1热泵系统运行工况诚添大厦周围湿地位于沈阳市浑河边缘，主要受浑

4、河和降雨补给，地下水资源丰富。如图1所示，湿地工程场区有四口抽水井，为满足工程需求，热泵工程场1区2抽4灌，热泵工程2区1抽3灌。各工程场区单井水量如表1示：表1 工程场区单井抽灌水量湿地场区热泵工程1区热泵工程2区夏季冬季夏季冬季抽水井/单400m3/h160 m3/h160 m3/h145 m3/h134 m3/h回灌井/单53.3 m3/h53.3 m3/h58 m3/h54 m3/h湿地工程场区位于浑河边缘，热泵工程2区距湿地工程场区3号井距离约为600m，热泵工程2区距热泵工程1区距离约为220m，由于湿地工程场区长期供水，地下水等水位线变化幅度较小。2.2.抽灌井布井预设方案工程场

5、区抽水井换热温差均为夏季7冬季5，采用同层抽灌。分别选取工程1区不同位置水井作为抽水井对地下水流场进行模拟：方案一D、E为抽水井，方案二E、F为抽水井，方案三C、D为抽水井。3最优布井方案的选取3.1地下水温度对优化布井的影响根据上述布井条件模拟方案一得到地下水温度场变化如图2示：图1 抽灌井分布图 图2 方案一温度场变化曲线系统模拟热泵工程运行周期为365天，地下水温度场变化总趋势如图2示：0-122天为制冷期，122-152天为间歇期，152-302天为供暖期，303-365天为间歇期。在制冷期末122天温度达到最高，在供暖期末302天温度最低，故方案选取时对比制冷末期和供暖末期地下水温度

6、场能否满足热泵运行的水温需求。现对三种方案模拟结果对比分析：制冷末期供暖末期一区二区一区二区方案一201717.59.59.110.9方案二21.417.316.49.58.311.5方案三20.419.717.57.36.89.2对比工程2区，三个方案抽水井温度在制冷末期最高温度为17.5，供暖末期抽水井温度最低为9.2，温度均满足热泵供水需求。并且热泵运行过程两个工程场区温度相互之间没有发生影响（如图3、4示），故工程2区对热泵布井方案的选取影响不大。对比工程1区，在制冷器和供暖期地下水温度变化程度各异：在制冷期末，抽水井水温变化为：方案一平均温升为7，方案二平均温升为7.4，方案三平均温

7、升为8。这说明热泵运行过程抽灌井发生“热贯通”使抽水井温度上升。各方案抽水井温度上升幅度不同，但方案一地温场变化幅度最小，不仅有利于热泵系统的稳定运行，而且对于环境的污染也最小。在供暖末期，方案一抽水井温度均高于9，方案二E号井温度低于9，方案三两口抽水井C、D温度均低于9。根据热泵运行需求，抽水井温度低于9不仅难以供给热用户，还会降低热泵效率甚至损坏原件。图3 方案一122天温度场 图4 方案一303天温度场3.2地下水水位对优化布井的影响热泵运行过程中对供暖期间温度要求较高，故本次选取工期末期地下水水位对布井进行分析比较，水位分布如图示：图5 采暖末期地下水等水位分布方案一方案二方案三整体

8、来看，湿地工程场区在热泵运行期间水位平均下降4m，其影响范围波及两个工程场区，对研究工程场区水位造成影响。工程1区采用方案一时，两口抽水井附近水位分别下降1.4m、1.6m，工程2区地下水水位下降1.5m，影响半径9m左右。两工程场区回灌井周围地下水水位平均上升1m，影响半径13m左右。工程2区抽灌井距离较远，回灌井对抽水井造成的“热贯通”影响较工程1区小。3.3结果分析本次模拟采用同层回灌模式，分析上述两个热泵工程场区地下水温度场变化:热泵工程2区1抽3灌，含水层为热泵工程提供了充分的水量，地下水温度变化不大，水温变化满足热泵运行需求，对方案选取不造成影响。热泵工程1区2抽4灌，井F处于区域

9、流场上游使得抽水井在制冷期间温度受到抑制，故方案一较方案二要好；在供暖期间井C、D距离比D、E要大，但由于区域流场的影响，沿地下水流场方向处于上游的回灌井对抽水井影响速率加大，“热贯通”现象严重，故方案一优于方案三。4结论 区域流场分布和动态变化对热泵工程优化布井起着关键作用:1.浑河对热泵场区造成影响。浑河自东北方向西南方向流动，顺水流方向若上游有回灌井存在，在制冷期间抽水井上游地下水受回灌井水温影响温度降低，可有效防止“热突破”，对热泵高效和稳定运行有效，故方案一较方案二要好。2.单井的热影响半径与抽水量呈反变关系,随着抽水量的增大, 热影响半径减小。在供暖期虽然三个方案水温均降低,导致热

10、影响半径增大,但随着抽水量的加大,“热贯通”影响逐渐减弱，综合比较方案一较方案三要好。3.热泵工程优化布井过程必须根据实地区域水文地质条件，严格控制抽灌井水量，降低其相互影响程度，提高热能利用效率。参考文献：1 袁建伟，王瑞祥，袁东立，等.井对距离对含水层采能区抽水温度的影响J.建筑科学，2009,25（2）：92-97.2 P.Andrew Collins P.E.,CarlD.Orio,Sergio Smiriglio.Geothermal Heat Pump MannulM.DYC Department of Design and Construction,2002.3 倪龙，马最良.热弥散对同井回灌地下水源热泵的影响J.建筑热能通风空调，2005,24（4）:7-12.4 倪龙，马最良，孙丽颖，等.同井回灌地下水