深井回灌式水源热泵井群运行的地下含水层传、蓄热性能模拟研究论文

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1、深井回灌式水源热泵井群运行的地下含水层传、蓄热性能模拟研究论文摘要目前国内进行深井回灌式水源热泵工程的井群设计和施工过程中，系统方案的可行性判据基本取决于单井出水量是否满足要求，以及能否实现良好的人工回灌。然而良好的设计还需要考虑井群当地地下含水层的水热运行与水文地质条件、环境气象因素和工程措施之间的关系。笔者通过比较目前流行的含水层流动传热模拟程序，选择利用了美国地质调查局编写的HST3D程序，对一典型双井承压含水层的温度场和流场进行了全年运行模拟，对该程序应用于此类问题的功能性和适用性作出评价，指出其需要完善之处。关键词深井回灌水源热泵含水层水热运

2、动热贯通建筑容积率HST3D１问题的提出深井回灌式水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，在国内外空调工程界已经得到了越来越多的应用12.freelplementingUndergroundThermalEnergyStorage，其中一个子项目就是关于地热蓄能的设计分析工具应用与评价，G?ranHelstr?m7在其为该子项目所作的总结报告中列出了适用于含水层水热运动分析现行软件，包括AST、Tensionalfloodel的简称，它是美国地质调查局（USGS）于80年代末开发的一套开放型研究用程序。HST3D采用控制容积的能量平

3、衡法对三维流动、传热和传质微分方程进行离散求解，能够实现饱和含水层中流动、传热和传质过程的非稳态模拟，可用于饱和地下含水层相关流动、传热和传质问题的模拟，包括热田和土壤热、海水入侵、放射性核废料填埋等问题。HST3D具有很强的实用性，其性能包括程序设计结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化、允许采用多种坐标系及不等距网络等，其开放性的模块化结构信纸科研人员可以根据需要添加、修改或删除相应的模块。HST3D所求解的流动、传热以及物性方程11分别如下：饱和含水层的流动微分方程：（1）饱和含水层的传热微分方程：（2）假定密度ρ为压力和温度的函数，其

4、液体物性方程：（3）HST3D对于离散方程的系数矩阵的求解方法包括：（1）三对角直接求解法（2）逐次超松弛迭代法（3）基于红黑排序的通用共轭梯度法（4）基于D4Z排序的通用共轭梯度法。HST3D能够处理第一、第二和第三类边界条件，能够处理点源和面源问题，在三维网格坐标方向允许设置不同的土壤传导参数及容积参数。能够处理承压含水层问题，以及存在自由水面的潜水含水层问题。我们选择HST3D作为问题计算分析工具，为进一步评价该程序应用于本问题的功能性和适用性，利用HST3D对一典型近似工况下的双井承压含水层的全年温度场和流场进行了模拟。4双井承压含水层模拟选取

5、区域为长300m×宽200m×厚30m的具有上下不透水层的双井承压含水量水层为计算模型（见图1），中部承压含水层以及上下不透水层的厚度均为10m，相关水力热力参数见表1。模型区域中央为一抽水井和一回灌井，两井相距100m，两井均为完整井（透水井壁空越整个承压含水层）。模型的初始温度为15℃，ABCD、EFGH边界面为15℃恒温边界条件，ABFE、CDHG边界面为定水头边界条件，ADHE、BCGF边界为不透水边界。模型设定为无自然水头条件。图1承压含不层计算模型示意图模拟模型的含水层水力热力参数表1承压含水层不透水层单位渗透率5.3×10-111×10-

6、12m2孔隙度0.250.35固体骨架可压缩系数4.6×10-44.6×10-4Pa-1固体骨架比热容696696J/(kg·℃)固体骨架的热传导系数26002600kg/m3纵向弥散率40m横向弥散率10m为了尽可能模拟水源热泵系统的全年"大温差，小流量"的运行工况，首先进行持续50天的夏季工况运行，抽水及回灌流量均为1200t/d，回灌水温恒为25℃；然后为持续50天的过渡季工况，两井停止运行；最后为持续50天的冬季运行，抽水及回灌井轮换角色，流量均为1200t/d，回灌水温恒为6℃。需要强调的是，由于HST3D程序的输入功能限制，本算例不得不采用

7、固定流量和固定回灌温度。该算例的模拟结果如下：由图2可以看出，夏季工况期间，回灌热水锋面已经到达抽水井，出现"热贯通"现象，同时部分回灌热量以导热为主的方式向上下不透水层传递。由图3可以看出，过渡季工况期间，热量传递过程以导热为主，大部分夏季回灌热量在含水层内部实现"跨季节"储存。由图4可以看出，冬季工况期间，回灌冷水锋面同样已经到达抽水井，但是由于夏季回灌热水的存在，在一定程度上缓解了冷水锋面对于抽水井出水温度的影响。图225℃连续回灌50天（夏季工况）含水量水层中心剖面温度分布，A井回灌，B井抽水图3停止运行连续50天（过渡季工况）含水层中心剖面温

8、度分布，A和B井停止运行图46℃冷水回灌连续50天（冬季工况）含水层中心剖面温度分布，A井抽水