地源热泵系统抽灌模式对地下水流场和温度场的影响(1).pdf

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1、2 0 0 9年第 5 期 水文地质工程地质 地 源热泵 系统抽灌模式对地 下水 流场和温度场 的影 响 王慧玲，王峰，孙保 卫，王文峰(北 京市勘 察设计研 究院有 限公 司，北京 1 0 0 0 3 8)摘要：通过建立三维水热耦合数值模型，对地下水地源热泵系统井 群平行抽 灌(即抽水井 与 回灌井 平行布置)以及 交叉 抽灌(即抽水井 与回灌井交错 布置)两种调度运行模式下，系统运行后 的含水层地下水流 场及 温度场情 况进行 了模 拟计 算、分析。结果表 明：平行抽灌模式对含水层地下水流场、温度 场的影响范 围、程度均大 于交叉抽灌 模式，从 系统运行 效 率以及对地温场的影响方面考虑，

2、交叉抽灌模式均优于平行抽灌模式。关键词：地下水地源热泵；地下水流场；地 下水 温度 场；平行抽灌模式；交叉抽灌模式 中图分 类号：P 6 4 1 5 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 3 6 6 5(2 0 0 9)0 5 0 1 3 3 0 5 地 下水地 源热泵 系统是 一种 利用地 下浅层 地热 资 源(地下水)，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。通过建造 抽水井 群将 地 下水 抽 出，经 提 取热 量 或 释 放 热量后，由回灌 井群 回灌入地 下。地 下水地源 热泵采 能技术 作 为一种新 兴 的地热 能 可持续利用方式，自2 0世纪 8 0年代 中期 以来，在欧美

3、等国家得到了广泛应用，国内自9 0年代以来也逐渐推 广应用 叫 J。应用地下水地 源热泵 系统 由于供暖、制 冷 负荷较 大，通 常需 要较 大 的抽 灌水 量，往 往需要 布置 抽水、回灌井 群，而 由于受 建 筑 场地 面 积 限 制，抽 灌 井 之 间的 间距有 限，抽 灌井 群之 间的地 下水水 位、水 温将 相互 叠加 干扰，而 在地 下 水 的集 中抽 水、回灌 地 区，干 扰将更 加 明显，可能 导致 抽 水 井 出水 温 度 随 着 回灌 水 温度变 化而变 化，即产 生“热贯通”现象，热泵 系统 的运 行效率将急剧降低。而不同的抽灌模式，对地下水流 场、地 下水 温度 场 的

4、影 响范 围、程度 等也存 在着 明显 的 差异。本文应用数值模拟方法，在合理的假设条件下，对 应用地下水地源热泵系统的承压水含水层 中交叉抽灌 和平行抽灌两种井群调度运行模式下，含水层地下水 流场 和温度 场 的演 化规 律进行 了模 拟分析。收稿 日期：2 0 0 8 0 6 2 5；修订 日期：2 0 0 8 1 1-1 0 基金项目：北京 市科技计划项 目(H 0 3 0 6 3 0 0 4 0 2 9 0)作者简介：王慧玲(1 9 7 8 )，女，硕士，工程 师，从 事 环境水 文地 质工作。E ma i l：wh 1 h e l e n 1 6 3 e o m 1 数学模 型 地下

5、水 地源热 泵 系 统运 行 过 程 中，所 抽 取 的置换 冷量 或热 量后 的地 下水 必 须全 部 回灌 到 同一 含 水层，地下水 流 场、温度 场 的变化影 响范 围通 常集 中于抽水、回灌井附近一定区域内，进行模拟分析计算时，选取以 抽水、回灌井 为 中心 的适 当范 围 即可。典型的地源热泵 系统的地下水流动 系统可概化 为：含水 层 为水平 结构、非 均质、各 向异性、三维非 稳定 流系统。地 下水流数 学模 型可 表示 为 刊：熹 )+伽=s ：，z，3 Q H(，Y，t)l：0=H o(，z)(，Y，：)E Q H(，Y，z，t)I =l(，)1 Y t 0 t t。，(，

6、Y，z)r1 f=)0 t t ，(，Y，)r 2 式中：|i 渗透系数；水头；时 间；Js 储水率；源汇项，当从含水层抽水或垂 向有水流 出 含水层时为负值，反之为正值；初始水头分布；I 1 已知水 头边界；水文地质工程地 质 2 0 0 9年第 5期，已知水 头边 界的水头 分布；r，已知流量 边界；n 边 界 r 的外 法线 方 向；q 第 二类边界 r 上 的单位 面积侧 向补给 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 p c+(1 +P c q 一 杀 )+T o)：Q，T(，Y，=，0)=T o(，Y，z)(，Y，)，(，Y，f)I F 1=T-(，

7、Y，z，)(，Y，z)1-(，Y，z，t)I r=T (z，t)(，Y，)r W I 式 中：n 孔 隙度；P ，c 分别为岩层的密度和比热；P，c 分别 为地下水 的密度 和 比热；温 度；q l 流体 的达西 速度矢 量；水 动力 热弥散 张量；Q 流体的汇 源比率；Q 热 的汇，源项；初 始温度 分布；，第 一类边 界 工 1 上 的温度；井 壁 I 1 上 的温 度。2 模拟模型及模型条件假设 为便于模型计算，通过对水位和温度影响半径 的 估算，平面上选取以抽水、回灌井为 中心 2 k in X 2 k m的 正方形区域作为模拟区，抽灌井间距均为 5 0 m，各井均 为完整 井；垂 向

8、上，岩土层厚 度取 5 0 m，其 中地面下 0 2 0 m(标 高 4 0 2 0 m)为粘 性土相 对 隔水 层、地 面下 2 0 4 0 m(标高 2 0O m)为承压水含 水层、埋深 4 0 m(标高 0 m)以下 为粘性 土相对 隔水层。采用 F E F L O W 进行模拟计算，为提高模型计算速 度，同时保证计算精度，平面上采用非等距 网格剖分方 式。在 抽水 一回灌 井(井编 号分别 为 W1、W2、W3、W4)附近三角剖分网格进行加密。垂 向上依据地层透水性 差 异共设置 4片结 点 网络，共分为 3 层，其 中第 2层为 承 压水含 水层。模拟 区各层初 始水 位标 高一致，

9、均为 3 0 m；初 始地 下水温度 也一 致，为 1 5。承压 水含 水层 四周 边 界为 定水头、定温度 边界，回灌井处 取 为给定温度 的一类温 度边 界，模拟 区顶、底 部边 界设为 隔水边界。本 模型 中 不考虑 地下水 的天 然流 动，即相 同埋 深处 的边 界 压力 相 同。地层 的水 文地质参 数取值 见表 1。表 1 模拟模型参数取值 Ta bl e 1 Va l u e s o f h y dr a u l i c a n d t h e r ma l p r o p e r t i e s o f a q u i f e r a n d a qu i f u g e i

10、n t he mo d e l 为消除井 群干扰 的影 响，简化模 型的复杂程 度，仅 做系统 采暖运 行 1 0 0 d的模 拟 计算，并作 如 下假 设：井群 布设 为 2 个 对井 系统(即抽 水、回灌 井各 2眼)，且 抽水、回灌 井 的 结 构 相 同，平行 抽灌 为 W1 井 抽 水 向 W2井回灌、W3井抽水向 W4井 回灌，交叉抽灌为 W1 井抽 水 向 W2井 回灌、W4井 抽 水 向 W3井 回灌；系 统每 天 2 4 h连 续 运 行，热 源 井 的 抽 水、回灌 量 均 为 2 4 0 0 m 3 d；分 2种假设情 况：一 为抽水 井 发生 热贯 通 后，回灌水仍保持

11、初始恒定温度 9 不变，即回灌水与 抽水 的温差不 断减小；二为抽 水井发生 热贯通后，回灌 水与抽取地下水之间的温差保持不变，抽、灌水温度呈 等 幅、同 向变化，温 差保持 在 6 C。3 模拟结果分析 3 1 含水层 地下 水流场影 响分析 从图 1 2可以看出，平行抽灌以及交叉抽灌模式 下，模拟区域内均形成以抽水井为中心的降落漏斗和 以 回灌井 为 中心 的上 升反 漏 斗，含水 层 中 的地下 水 自 回灌井区域向抽水井区域流动，抽水井、回灌井之间区 ：-j e：图 1 平行抽灌模式地下水流场图 Fi g 1 W at e r l e v e l c o n t o ur s i n

12、t he a qu ife r t hthe c l u s t e r e d f o r m 2 0 0 9年第 5 期 水文地质工程地质 域 水动力 循环活 跃，水 力坡度 变大。由表 2可见，以定流量(2 4 0 O re 3 d)抽水、回灌的情 况下，两种模式下抽水井的水位降深值、回灌井的水位 抬升值 差异 均较 大。相 比较 而 言，平 行抽 灌模 式 的 2 个值 均大 于交叉 抽灌 模 式，抽水 井 与 回灌 井 之 间 的水 力坡 度和地 下水 流速 较 大，系统 运 行 对地 下 水 流 场 的 影响趋势和程度也明显较交叉抽灌模式要大。从水量 的角度看，交叉抽灌模式优于平行

13、抽灌模式。：图 2交叉抽灌模式地下水流场图 Fi g 2 wa t e r l e v e l c on t o u r s i n t he a q u i f e r wi t h t h e inter s p e r s e d f o r m 表 2平行抽灌和交叉抽灌模式各井水位情况统计表 Ta b l e 2 wa ter l e v e l c ha n g e s o f di ffe r e nt p r o d u c t i o n a n d i n j e c t i o n we l l s 3 2 含 水层地 下水 温度场影 响分 析 3 2 1 回灌水温度恒定(

14、9)由图 34可 以看 出，系 统采 暖 运行 后，模 拟 区含 水层 内形成 以 回灌 井 为 中心 的冷 水体，且 回灌 冷 水体 的锋面向抽水井逼近。平行抽灌模式下冷水体呈纺锤 形向抽水井方向延伸；交叉抽灌模式下冷水体呈碗状 分别 向周边的抽水井方向延伸。系统运行后，井群 回灌冷水体将对地下水温度场 产生影响。抽水与回灌 同步进行 时，在相互影响区域 内，抽水井部分水量 由回灌水补给，抽水井的出水温度 也将受到回灌冷水体 的影响。图 3 平行抽灌模 式地 下水温度场图 飚 3 Te mper a t u r e d is t r i b u t i o n i n the a q u i

15、 f e r wi th the c l u s t e r e d f o rm 图 4交叉抽灌模式地下水温度场 Fi g 4 Te mpe r a t u r e d i s t r i b utio n i n the a q u i f e r wi th t he interspe r s e d f o r m 表 3 平行抽灌与交叉抽灌模式回灌水恒温 时井群 出水温度统计 表 Ta b l e 3 Pr e d i c t e d temp e r a t u r e o f the p u mp i n g and i n j e c t i n g we l l s f o

16、r the n e x t 1 0 0 d a y s 降低 时间指抽水井出水温度低于 1 4 9 的开始时 间。由表 3、图 5可 见，抽 灌 井 间距 为 5 0 m 时，在保 持 回灌水温度(9)不变的情况下，平行抽灌以及交叉抽 灌两种模式下，抽水井均受到回灌冷水体 的影响，抽水 井出水温度明显降低。平行抽灌模式在 1 3 8 d左右的 时间内抽水井出水温度即受到影响，产生“热贯通”现 象，系 统 的运行 效率 即开 始降低，至 系统采 暖 运行 1 0 0 d 后，抽灌水温差仅 为 1 o C左 右，“热 贯通”作用显 著，抽水井出水温度降低 4 9 C 左右，系统效率降低 明 水文地

17、质工程地质 2 0 0 9 年第 5 期 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 箦 l 0 9 8 图 6平 行抽 灌模 式 地 下水 温 度 场 图 Fi g 6 Te mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n t h e a q ui f e r wi th the c l u s t e r e d f o r m 由表 4、图 8可见，在保持 回灌水与抽取地下水恒 温差(6 C)的情况下，平行抽 灌 以及 交叉抽灌 两种 井群 调度运行模式下，抽水井出水温度、回灌水温度均不断 降低，且降低趋势明显。系统采暖运行 1 0 0 d后，平行

18、抽灌模式抽水井 出水温度、回灌水温度均降低 6 7 c I=左右；交叉抽灌模式抽水井出水温度、回灌水温度均降 低 5 左右。与回灌水恒温的情况相似，交叉抽灌模 式下抽水井 的出水温度始终高于平行抽灌模式，系统 运行效率始终较平行抽灌模式要高，且随着系统运行 时间的延 长，其优 势更加 明显。图 7 交叉 抽 灌 模式 地 下 水 温 度场 Fi g 7 Te mpe r at u r e d i s t r i b ut i o n in the a qu i f e r wi t h the int e r s pe r s e d f o r m 表 4 抽水 井水与 回灌水恒温差井群出水

19、温度统计表 Ta bl e 4 Pr e d i c ted t e mp e r a t ur e o f t he p u mpi n g a n d inj e c t i n g we l l s f o r t h e n e x t 1 0 0 d a y s ：；1 4 9 87 图 8平 行 抽 灌与 交叉 抽 灌 模式 回溪 水 与 抽取 地下水恒温差抽水井出水温度变化 曲线 Fi g 8 Te mp e r at ur e c h a n g e s o f p ump i n g wa t e r V S t i me u n de r d i ffe r e n t w

20、e ll p os i ti on s 在回灌水恒温以及回灌水与所抽取的地下水恒温 差两 种情况 下，系统 采 暖运 行后 交 叉抽 灌 模式 抽 水井 出水温度均高于平行抽灌模式，系统效率相对较高，且 抽水井出水温度开始变化的时间也滞后于平行抽灌模 式，即系统效率开始降低的时间延迟。分析其原因，由 于系统运行过程中，抽灌井附近 的热传递方式以对流 2 0 0 9 年第 5期 水文地质工程地质 传热为主，而对流传热强弱主要取决于地下水流速的 大小，通 过对 两种 运行 模 式 下 地 下 水 流 场 的 影 响 分析，平行抽灌模式抽灌井附近区域 的水力坡度 以及 地下水流速均较大，导致平行抽灌

21、模式的对流传热更 加活跃，抽水井 出水温度更易受到 回灌冷水体(或热水 体)的影 响。另外，由于平行 抽灌模 式下抽 水井 之 间以 及 回灌井 之 间的间距 相 对较 小，回灌 冷水 体 相 互 之 间 的干扰影 响相对 较大，也 在 一定 程 度 上对 温度 场 变化 产生影 响。4结 论 本文 应 用 F E F L O W 软件，通 过建 立 理 想条 件 下三 维水热耦 合数值 模 型，对 地 下 水地 源 热泵 系统 井 群平 行 抽灌 以及交叉 抽灌 模 式下，地 下 水 流场 和温 度 场 的 演 化进行 了定量模 拟分 析，计算 结果 表 明：(1)在其 它条件 相 同的情况

22、下，平行 抽灌模 式 的抽 水井水位降深值、回灌井水位抬升值均大 于交叉抽灌 模式，对地下水流场的影响趋势和程度也 明显较交叉 抽灌模式要大。(2)平行抽灌模式因抽水井、回灌井附近区域地下 水渗流速度相对较大，对流传热作用强，抽水井发生热 贯通所 需要 的时间较 短，且 在 相 同时 间 内 抽水 井 的 温 度变幅也较交叉抽灌模式要 大，系统运行效率降低更 加 明显。(3)从 系统运 行对 含 水 层地 下 水 流 场 和温 度 场 的 影响方面分析，无论是 回灌水保持恒温还是抽灌水保 持恒温差，交叉抽灌模式均优于平行抽灌模式，且随着 系统运行时间的增加，其优势将更加明显。参考 文献：1 倪

23、龙，封家平，马最 良 地下水 源热泵 的研究现状 与 进展 J 建筑热能通风空调，2 0 0 4，2 3(2)：2 6 3 1 2 王芳，范晓伟，周光 辉，等 我 国水 源热泵研 究现状 J 流体机械，2 0 0 3，3 1(4)：5 7 5 9 3 张群力，王晋 地源热泵和地下水源热泵的研发 现状 及应用过程 中 的问题 分 析 J 流 体 机械，2 0 0 3，3 1 (5)：5 05 4 4 李世君，刘文 臣，辛宝东 北京地 区地下水 源热泵利 用现状及存在 问题 J 城 市地 质，2 0 0 6，1(1)：1 6 2 0 5 薛 禹群，谢春 红 地下水数值模拟 M 北京：科学 出 版社

24、，2 0 0 7 6 D i e r s e h H J C o m p u t a t i o n a l a s p e c t s i n d e v e l o p i n g a ll i n t e r a c t i v e 3D g r o u n d wa t e r t r a ns p o r t s i mu l a t o r u s i n g F EM a n d G I S l S J E s t o n i a：I A HS P u b l i c a t i o n，1 9 9 4：3 1 33 2 6 1 7 J D i e r s c h H J，V o

25、 i g t RV i s i o m e t r i c t e c h n i q u e s i n a 3 D g r o u n d w a t e r t r a n s p o r t c o d e s H e i d e l b e r g：K l u w e r Ac a d e mi c P u b l i s h e r s，1 99 4：1 4 4 91 4 5 6 8 张远东，魏加华，汪集 憨 井对 间距 与含水层采能 区 温度场的演 化关 系 J 太 阳 能学报，2 0 0 6，2 7(I I)：1 1 6 3一 l 1 6 7 9 张远东，魏加华，王光谦 区域

26、流场对含 水层采能 区 地温 场 的 影 响 J 清 华 大 学 学 报：自然 科 学 版，2 0 0 6，4 6(9)：1 5 1 8 1 5 2 1 I mp a c t o f p o s i t i o n a n d p r o d u c t i o n o f i n j e c t i o n w e l l s o n g r o u n d wa t e r flo w a n d t e mp e r a t u r e fie l d wi t h g r o un d wa t e r s o u r c e h e a t p u mp W ANG Hu i l i

27、 n g，W ANG F e n g，S UN B a o we i，W ANG W e n f e n g (B e ij i n g C e o t e c h n i c a l I n s t i t u t e E n g n e e r i n g C o nsu l t a n t s L t d，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8，C h i n a)Ab s t r a c t：A t h r e e d i me ns i o n a l n u me ric a l mo d e l wh i c h c o u p l e s g r o u n d wa

28、 t e r fl o w a n d h e a t t r a n s f e r wa s d e v e l o p e d t o s i mu l a t e c h a n g e s o f g r o u n d wa t e r fl o w fie l d a n d g r o u n d wa t e r t e mp e r a t u r e fi e l d a f t e r e n e r g y mi n i n g f o r V S-r i O U S p o s i t i o n i n g o f mu l t i p l e(c l u s t

29、 e r e d V S i n t e r s p e r s e d)p r o d u c t i o n a n d i n j e c t i o n w e l l s T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e i n c i d e n c e o f g r o u n d w a t e r fl o w and t e m p e r a t u r e a r e l a r g e i n t h e c l u s t e r e d p r o d u c t i o

30、n and i n j e c t i o n w e l l s t h a n t h a t i n t h e i n t e rsp e rse d for m Th e i n t e rsp e r s e d for m h a s h i g h e r e f fic i e n c y t h a n t h e c l u s t e r e d f r o m Ke y wo r d s：g r o u n d wa t e r s o u r c e h e a t p u mp；g r o u n d wa t e r fl o w fi e l d；g r o u n d wa t e r t e mp e r a t u r e fie l d；c l u s t e r e d p r o d u c t i o n a n d i n j e c t i o n w e H s；i n t e rsp e rse d p r o d u c t i o n a n d i n j e c t i o n w e l l s 责任编 辑：汪美华