198 水源热泵地下水温度变化的模拟分析

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1、水源热泵地下水温度变化的模拟分析中国建筑科学研究院空调所黄涛袁东立摘要：对水源热泵地下水的温度变化进行了模拟分析，研究了换热井不同布置方式以及不同运行策略对地下含水层温度场的变化趋势和变化幅度的影响，为实际工程设计和计算提供了参考。关键词：水源热泵井群地下水温度场模拟1绪论能源是国民经济的命脉，也是制约人类社会持续、稳定发展的关键因素之一。为有效地解决能源短缺问题，除要尽可能节约利用能源和不断提高现有能源的利用效率之外，最根本的途径是不断地谋求新的可再生能源。水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的

2、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[1-3]。对于实际的地下水源热泵工程而言，地下水集中采灌区温度差的显著变化将直接影响到热泵机组的工作效率和工程的持续利用寿命；并且，局部温度场的持续、大幅度变化也可能导致地下水化学组分浓度的显著变化，引发采、灌井的井堵和结垢问题，从而增加工程的维护费用。可见，不管是出于地下水源热泵采能系统优化设计目的，还是为了保护地下水环境，研究地下水源热泵采能过程中温度场的变化都至关重要，理应成为地下水源热泵技术推广应用的前提和基础。对于常温地下含水层采能工程而言，

3、集中采能区地温场的扰动幅度主要受能量采集的强度、含水层系统的水文地质条件、采能系统的工艺设计等因素影响。本文对水源换热井在不同运行策略以及不同布置方式下含水层温度场的变化进行了模拟分析。2对井的模拟2.1不同井间距模拟的计算条件：含水层厚度为50m（加上上下底板弱透水层共80m），抽水井和回灌井的流量均为100m3/h，初始水温为15℃，夏季制冷回灌水温为25℃，运行时间为3个月。抽水、回灌井对的距离分别取20、40、60、80、100和120m。相关水文地质参数见表1[4]。表1地下含水层水文地质参数承压

4、含水层不透水层单位渗透率1.35×10-111×10-12m2孔隙度0.250.35固体骨架可压缩系数0.0010.0046MPa-1固体骨架比热容696696J/(kg×℃)多孔介质固体密度26002600Kg/m3固体骨架的热传导系数2.292.29W/(m×℃)图1为不同井对距离情况下，抽水井温度随时间变化的关系曲线。由图1可以看出，抽水井和回灌井之间的距离越大，抽水井温度变化幅度越小。在上述模拟的给定条件下，运行结束后，抽水井的温度变幅分别为5.75℃、4.02℃、2.55℃、1.37℃、0.6℃、

5、0.22℃。当井对间距超过一定距离后，井对间距对抽水井温度变化的影响就不明显了。抽、灌井对之间距离越大，抽水温升幅度越小[5]，这是因为在其它条件相同的情况下，随着抽、灌井对之间距离的增加，地下水从回灌井向抽水井渗流所覆盖的区域不断扩大，地下水的等效渗流速度相应减小。地下水渗流区域的增加和渗流速度的相应减小，将有利于回灌水在制冷期（供暖期）充分释放（汲取）热量，因而能够显著减小对抽水井温度的影响。假设以图1不同井对间距条件下抽水井温度随时间变化的曲线图图2不同运行模式下抽水温度随时间的变化曲线图2.5℃温升

6、作为允许温升上限的话，在本文模拟的条件下的抽、灌井间距应为60m左右。2.2不同运行模式针对“小流量、大温差”和“大流量、小温差”等不同的运行模式进行了夏季工况模拟研究，5种模式的流量与温差组合见表2.。运行时间为3个月，井间距为60m，在保证排热量相同的情况下，取5种不同的流量和排热温差组合的运行模式，不同运行模式下抽水温度随时间的变化曲线见图2。表2不同运行模式下的流量和温差运行模式模式一模式二模式三模式四模式五流量（m3/h）160100806454温差（℃）581012.514.82比较各种模式下不

7、同运行阶段的抽水温度，运行30天后抽水温度升高的幅度模式一最大，模式五最小，抽灌量越大温升越大，说明此时抽灌量对抽水温度的影响大于回灌水温度对抽水温度的影响。随着运行的继续，回灌水温度对抽水温度的影响能力变大，运行60天后抽水温度升高的幅度模式二最大，模式五最小，回灌水温度对抽水温度的影响已经表现出来。运行结束后各种模式下抽水井的温升相差不大。由此可知，无论采用“小流量、大温差”还是“大流量、小温差”的模式对抽水井的影响效果差不多，但是“小流量、大温差”这种运行模式要更节能一些。表3各种模式下不同运行阶段的

8、抽水温度运行模式模式一模式二模式三模式四模式五30天后抽水温度15.80815.63715.53115.41915.33760天后抽水温度16.60716.62716.55116.4216.2990天后抽水温度17.10817.39217.43317.3917.29933口井的模拟在某些地区由于地质条件不利于回灌，为了更好的回灌常采用1个抽水井对应2个回灌井的运行的方式，下面就对这种方式下的各种运行情况进行模拟分