水源熱泵工程集中區(qū)地下水溫度場的數(shù)值模擬分析

1、水源熱泵工程集中區(qū)地下水溫度場的數(shù)值模擬分析摘要：為了避免地下水源熱泵用戶集中區(qū)用戶間的熱貫通，需要合理布設取回水井。文章采用有限單元法建立地下水溫和水位數(shù)值模型，預測水溫和水位的變化趨勢，模擬結果區(qū)內地下水溫冬季變化范圍6.314.2，夏季變化范圍11.521.2，滿足水源熱泵工程對取回水的要求，能夠避免了用戶間的熱貫通。通過建立合理的數(shù)值模擬，能夠定量地分析水源熱泵工程抽回水對地下水溫度場變化，為合理取回水井設計提供依據(jù)。關鍵詞：水源熱泵；地下水位和水溫；數(shù)值模擬；熱貫通1 地下水源熱泵空調系統(tǒng)是一種利用淺層地熱能進行制冷和供暖的采能技術,近年來2該系統(tǒng)的工程應用已比較廣泛。在應用過程中，

2、盲目的利用水源熱泵技術，在新建水源熱泵工程設計過程中有時只考慮滿足自身的使用，而忽略了對周圍地下水環(huán)境的影響，從而造3-4成熱貫通等現(xiàn)象，導致水源熱泵機組換熱效率降低。筆者結合實際項目建立地下水水溫和水位的數(shù)值模型，預測水溫和水位的變化趨勢，為在水源熱泵用戶較多的地區(qū)的新建水源熱泵工程項目提供參考依據(jù)。2沈陽市某區(qū)A項目擬采用水源熱泵工程，其采暖和制冷面積為59920.96m。該項目采33暖期用水量為850432 m，制冷期用水量為678442m，設計抽水井5眼，回水井17眼。項目3周圍水源熱泵用戶比較多，如圖1所示。B用戶距離A100m，用水量26.48m/h，有1眼抽水3井和1眼回灌井；C

3、用戶距離A260.0m，用水量90.0mh ，1眼抽水井，3眼回水井；D用3戶距離A區(qū)380.0m，用水量為253.0m/h，2眼抽水井，6眼回灌井；E用戶距離A100.0m，33用水量為98.0 m/h，1眼抽水井，1眼回灌井；F用戶距離A230.0m，用水量為240.0 m/h，抽水井2眼，回灌井7眼，上述用戶均利用水源熱泵采暖和制冷。因此對地下水水溫和水位進行數(shù)值模擬檢驗對已有用戶B-F是否造成熱貫通和取回水影響，成了該項目能否通過水行政專管部門審批的關鍵。各項目位置如圖1所示。圖1 位置示意圖1模型建立1.1 水文地質概化模型含水層類型的確定：含水層巖性為上部為中粗砂含卵礫石含有少量粘

4、土，厚約21.522.5m，下部是由砂礫組成含粉質粘土，成半膠結狀，砂礫石微風化，厚度約12.5m。將含水層視為潛水含水層，第三系風化砂礫巖被視為含水層底板。根據(jù)含水層的類型、巖性、厚度、導水特征及導溫特征等，將模型概化為非均質各向同性含水層，局部可視為均質。 1地下水特征.地下水位埋深為11.012.0m左右， 地下水溫度12 . 在天然狀況下，場區(qū)內地下水流向為北東至西南, 水力坡度為0.001-0.002左右.地下水流的概化：計算區(qū)地下水位受枯豐水期影響有一定變化，水流呈非穩(wěn)定狀態(tài)，但總體上區(qū)域地下水為層流運動，水流符合達西定律，全區(qū)可視為非穩(wěn)定二維平面流。 模擬區(qū)邊界類型的劃分：本次將

5、模擬區(qū)4個方向側面邊界概化為定水位邊界，其中東部邊界水位為36.0m，西部邊界水位為30.0m；模擬區(qū)地表入滲條件較差，大氣降水入滲補給忽略不計，將頂部邊界概化為隔水邊界；將下更新統(tǒng)地層定為隔水底板邊界。5源匯項的處理工程A場區(qū)內用戶水源熱泵工程共計5眼抽水井，17眼回灌井；工程B-F場區(qū)內用戶水源熱泵工程共計7眼抽水井，18眼回灌井。1.2地下水流與溫度耦合數(shù)值模型（1） 地下水流數(shù)值模型根據(jù)水文地質概念模型，建立研究區(qū)地下水水流數(shù)學模型，其具體表達式為 n0PPTPK+n0T+b=P(P+g) （1）tttP(x,y,z,t)|t=0=P0(x,y,z) (x,y,z)D （2） P(x,

6、y,z,t)|1=P(x,y,z) (x,y,z)1 （3）式中: n 為孔隙度；0為液體的參考密度，kg/m³；P為水的壓縮系數(shù)， Pa-1；p 為地下水壓力，Pa；t 為時間，s；T為水的熱膨脹系數(shù)，-1；T 為水和孔隙介質的溫度，；為地下水密度，kg/m³；b為空隙介質的壓縮系數(shù)，Pa-1；為梯度算子；KP為滲透能力張量，；為水的黏度，Pa·s；g為自由落體加速度，m2/s；D為計算區(qū)范圍；1為第一類邊界條件。（2）地下水溫數(shù)值模型根據(jù)水文地質條件和熱力學條件,建立地下水流與溫度耦合熱傳遞數(shù)值模型，如下：PTPTPT+n0TcfT+bcfT+ncf-scsT

7、b+(1-n)scs=tttttt （4）(nKf+(1-n)Ks)IT+nDT-nCSvTn0PcfT(x,y,z,t)|t=0=T0(x,y,z) (x,y,z)D （5） T(x,y,z,t)|1=T(x,y,z) (x,y,z)1 （6）式中: c為水的比熱容，J/（kg·）；S為空隙介質密度，kg/m³；cS為空隙介質比熱容，J/（Kg·）；K為水的導熱系數(shù)，W/(m·）；KS為空隙介質導熱系數(shù)，W/(m·）；I為單位矩陣；D為熱機械彌散張量，W/(m·）； 為水的流速，m/s。1.3 區(qū)域剖分采用有限單元法進行地下水開采后

8、水流數(shù)值模擬，模擬軟件選用Feflow5.0，根據(jù)區(qū)內流場特征、系統(tǒng)的結構特征、水力特征和邊界條件，將模擬區(qū)劃分為的的長方形區(qū)域，模擬區(qū)的面積1.0km2。將模擬區(qū)剖分為6160個三角單元，含6248個節(jié)點。1.4水文地質參數(shù)確定計算所用的滲透系數(shù)、給水度、孔隙度等參數(shù)主要是根據(jù)試驗和觀測資料所確定，見表 21。地下水密度、熱導率、比熱容、熱機械彌散張量等參數(shù)主要是根據(jù)區(qū)域試驗資料所確定。表1 水文地質參數(shù)及熱傳導參數(shù)2.預測結果與分析2.1 地下水溫模擬預測結果分析對A區(qū)采用水源熱泵工程方案進行了預測一個采暖期和一個制冷期的地下水溫變化趨勢預測。A-F區(qū)所有水源熱泵工程采暖期回灌井最低水溫未

9、低于5.0，抽水井水溫9.0以上；制冷期回灌井最高水溫未高于21.5，抽水井水溫11.015.0，采暖期和制冷期均滿足A-F用戶水源熱泵機組5的換熱要求?；厮挠绊懛秶鸀?5.050.0m，其中距離最近的B用戶和C用戶抽水井水溫可以達到12.0，回灌井9.010.0，均滿足B-F用戶取水水溫要求，因此A區(qū)冬季采暖和夏季制冷不會對周圍已有用戶水源熱泵工程水溫產生影響。地下水溫模擬結果見圖2-1和圖2-2.圖2-1 采暖期末地下水溫預測等值線圖 圖2-2 冷期末地下水溫預測等值線圖 2.2 地下水位模擬預測結果分析對A區(qū)采用水源熱泵工程方案進行了預測一個采暖期和一個制冷期的地下水位變化趨勢預測。A

10、區(qū)水源熱泵系統(tǒng)冬季采暖期運行后，A區(qū)地下水位為30.5-31.5m，抽水井影響范圍100.0150.0m，回水井影響范圍100.0m；夏季制冷期運行后，場區(qū)地下水位為30.2-31.5m，抽水井影響范圍100.0150.0m，回水井影響范圍100.0m。總體影響范圍為100.0150.0m左右，對B-F用戶去水、回灌均不造成影響，因此冬季采暖和夏季制冷均不會對周圍已有用戶水源熱泵運行產生影響。地下水位模擬結果見圖2-3和圖2-4.圖2-3 采暖期末地下水位預測等值線圖 圖2-4制冷期末地下水位預測等值線圖 3.結論與建議1.通過建立地下水溫和水位的數(shù)值模型，可以預測地下水動態(tài)變化趨勢和影響范圍

11、，確定水源熱泵抽回水對周邊其它水源熱泵用戶甚至整個區(qū)域地下水環(huán)境的影響，能為水源熱泵工程設計提供良好的依據(jù)。2.在水源熱泵用戶較多的地區(qū)新建水源熱泵工程，建議按設計方案進行對地下水水溫和水位的數(shù)值模擬，嚴格按照有關審批程序的設計方案進行，避免用戶間產生熱貫通等對地下水環(huán)境造成影響。參考文獻： 1 倪龍, 封家平, 馬最良. 地下水源熱泵的研究現(xiàn)狀與進展 J . 建筑熱能通風空調, 2004, 23( 2) : 26-31.2 張群力，汪晉 地源熱泵和地下水源熱泵的研發(fā)現(xiàn)狀及應用過程中的問題分析J 流體機械，2003，31( 5) : 50 54 3 Tang Aihua,Mays L W.Genetic algorithms for optimal operation of soil aquifer treatment systems J.Water Resources Manageme