深井回灌式水源热泵井群运行的地下含水层传、蓄热性

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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动热贯

2、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[1][2]，文献[3]给出了其基本原理与相关技术经济分析。这一系统方式利用温度全年相对恒定的地下水作为水源热泵的水源，通过建造抽水及回灌井群，实现夏季抽冷水、灌热水，冬季抽热水、灌冷水的这一全年角色轮换的运行过程，地下含水层内部的热量或冷量被提取、蓄存和转移。井群是深井回灌式水源热泵系统的一个关键组成部分，其正常运行与否决定了应用水源热泵系统工程的成败，井群的设计布局应当是慎之又慎的关键环

3、节。目前国内进行此类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。然而在进行该类工程井群部分的可行性分析和设计中，还需要考虑以下几方面的问题：　　（1）当地含水层中的能量蓄存、转移过程。　　应用深井回灌方式，需要在设计阶段知道当地含水层的能量提供能力有多大，也就是系统可负担的建筑容积率极限是多少。当建筑物全年冷热负荷不均匀时，系统对于含水层温度的常年影响效果如何，是否会造成含水层"背景温度"逐年降低或升高，从而导致系统运行失败，相关的应对策略如何制定？　　（2）"热贯通"影响的避免

4、　　由于回灌水与原始含水层温度存在的差异，在导热和对流等作用下，回灌井水"温度锋面"会导致近抽水井出水温度有不同程度的升高或降低，通常称为"热贯通"现象。如何确定适宜的井间距，如何确定井群的布局，避免"热贯通"的影响，是设计人员关心的主要问题。对于高密度住宅小区或城区商用建筑应用深井回灌式水源热泵系统来说，由于可利用建筑用地的面积限制，如何优化井群布局及其各自对应的抽水或回灌角色，最大限度地避免"热贯通"的不利影响是尤为关键的。　　（3）水文地质条件的影响作用　　该问题的核心是如何考虑速度相对较大的当地地下水自然流动的存在对于地下含水层温度场和

5、井群布局的影响，如何在建筑物冷全年热负荷不均匀的情况下，利用自然地下水流场的存在，合理地优化各井的抽水、回灌角色和轮换方式，从而实现对于能源的最优利用。　　（4）地面机组和管道系统形式和运行模式的影响作用　　利用"小流量、大温差"的系统运行方式，能够实现对于含水层蓄能的最大利用，同时减少对于地下水资源最小程度的开采利用[3]。在"小流量、大温差"和传统的"大流量、小温差"两种运行工况下，地下含水量水层温度场全年变化过程，以及所导致对应的井群布局差异如何，也是研究设计人员所关心的问题。　　以上这些问题都需要寻求对于井群部分的含水层水热运动过程适用

6、的计算分析工具，研究井群当地地下含水层的水热运动与水文地质条件、环境气象因素和工程措施之间的关系，为该类系统的相关设计与分析提供科学的依据，以推动集中式水源热泵机组应用的进一步推广。　　在此工程背景下，笔者通过比较目前工程学术界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开发的地下水流动、传热、传质三维有限差分模拟程序HST3D，对一典型双井承压含水层进行了全年温度场和流场模拟，对该程序应用本问题的功能性和适用性作出评价，指出其需要完善之处。　　2含水层中的水热运动及相关数值模拟　　　　2．1含水层中的水热运动　　　　自然界含水层中的

7、地下水流动一般满足达西定律，而含水层内部的传热过程包括：　　（1）地下水的对流换热过程；　　（2）地下水的导热过程；　　（3）固体骨架的导热过程；　　（4）由于通过多孔介质孔隙的不同流动通道液体的机械混合造成的局部热弥散，以及由于不同地质成分构造混合所造成的宏观热弥散过程；　　（5）地下水与固体骨架之间的传热。　　在含水层传热中，当含水层骨架颗粒较小和流体流动雷诺数较低时，可以假定流体温度场与固体骨架的温度场时一致的，因此可以不考虑上面第5项的热量传递。　　第4项由含水层多孔介质热弥散机理所造成的热量传递，对于含水层内部的整体传热过程存在着不可

8、忽略的影响，特别是单井周边含水层中由于相对较高的地下水孔隙流速，热弥散的影响作用尤为突出。　　　　2．2含水层水热运动数值模拟　　含水层水热运动的建模