地下水地源熱泵系統(tǒng)地下能量變化數(shù)

1、地下水地源熱泵系統(tǒng)地下能量變化數(shù)值模擬研究劉紅衛(wèi)；徐貴來；李星武漢地質(zhì)工程勘察院摘要：地下水地源熱泵系統(tǒng)運行時將地上的能量注入地下，這個能量在地下運移擴散的過程和路徑非常復(fù)雜，它與巖土體特征、地下水的流動狀態(tài)、空調(diào)系統(tǒng)運行過程等密切相關(guān)。采用有限元分析方法建立地溫變化數(shù)值模型，在平面和剖面上模擬地下溫度場變化，反映出地下能量的變化和運移特征。模型優(yōu)化后可以為同類項目前期論證、工程設(shè)計、系統(tǒng)高效運行管理和監(jiān)測提供技術(shù)支撐。地源熱泵系統(tǒng)；有限元；能量變化；數(shù)值模擬中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）引言空調(diào)系統(tǒng)冷熱源屬性和變化特征是暖通空調(diào)設(shè)計的依據(jù)，目前對應(yīng)用最廣泛的風冷空調(diào)在空氣中換熱的規(guī)律

2、已有大量研究，并確定了相應(yīng)的環(huán)境氣候設(shè)計指標。地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的核心是利用淺層地溫能，了解和掌握地下巖土層溫度變化及能量變化規(guī)律，可以為設(shè)計提供依據(jù)，有助于更好地開發(fā)利用淺層地溫能資源。目前，地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱規(guī)律研究開展得相對比較多，而地下水地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱和能量擴散規(guī)律研究的很少。地下水地源熱泵系統(tǒng)運行后，地上地下產(chǎn)生能量循環(huán)，原地溫場的平衡被打破，地溫不再是設(shè)計時的恒定值，一定地下空間范圍內(nèi)受注入能量的影響，開始發(fā)生變化，這種變化由于流動的地下水在抽水井和回灌井之間直接、快速地運移而相對更迅速、劇烈的發(fā)生。由于地下儲熱、導(dǎo)熱、擴散、影響范圍大小、地溫長短期變化與平衡等對地下環(huán)

3、境、系統(tǒng)能效高低、可持續(xù)運行等影響大，所以研究地下能量的傳遞、擴散的規(guī)律十分必要。本文嘗試以有限元分析為基礎(chǔ)，結(jié)合某項目情況及該地域地質(zhì)特征，建立數(shù)值模型，模擬和研究當?shù)孛嬉陨系哪芰浚ɡ?、熱）注入后，地下空間內(nèi)地溫變化和能量擴散的規(guī)律。地溫場數(shù)學(xué)模型建立地下水地源熱泵系統(tǒng)地溫場溫度擴散規(guī)律受注入的冷熱量大小、地層（含水層）特性、地下水徑流及周邊溫度環(huán)境條件、熱源井井群結(jié)構(gòu)及布置、熱源井使用功能轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)運行過程等諸多因素影響，是一個連續(xù)的動態(tài)過程。我們將錯綜復(fù)雜的實際問題簡化、抽象為合理的數(shù)學(xué)模型。圖熱源井平面布置圖圖某項目地質(zhì)剖面圖本項目受武漢市科技局科研項目“地源熱泵高效換熱及系統(tǒng)成套技術(shù)

4、研究”（）資助。高級工程師某項目熱源井布置及地質(zhì)剖面某地下水地源熱泵項共有熱源井，兩抽四灌，地層結(jié)構(gòu)：部為填土支粘，邵為砂甚科卵礫石，咬部為泥見圖、圖熱演化數(shù)學(xué)模型心的地溫場熱演化數(shù)學(xué)模型為：羔（七等）魯（七等）一。裊；丁，羔、，印警（）仁妒（、）式：（、，）為溫懂（）；為時間（）；厶為熱導(dǎo)牢（）；為密受（）、為比熱（）：）為流體速度（）；為熱源（）；（：，）為邊界溫度（）妒（：）為幸始時刻的溫良該饃適用于均勻介噴備陽吲一陣的熱傳遞過程二：模擬邊界條件及參數(shù)住釘限兀模擬過程中定升刎點溫嚏邵桐等，例受【部等于：隨著時問的延續(xù)，邊界溫度仍然保持，但在抽水井以及注水井處，有熱麥流入或流出，味有地溫場

5、的平衡被打破，地溫場中各點溫度隨時間的延續(xù)而發(fā)乍變化岡為地下介質(zhì)在不同地層的性貢小同，昕以其物理參數(shù)也有昕不同，該項模擬取平均熱導(dǎo)二笨在（）左，平均密愎近似為，“，平均比熱則近似為（）。模擬時間年，時間隔為汁算網(wǎng)格點處的溫度，然婿以每，第一天的溫度數(shù)據(jù)繪制出溫嚏等值線圖二維水平平面模型和二維垂直剖面模型酋允我們杵據(jù)已知和假設(shè)的條件與參數(shù)，將地溫場簡化為二維水平平面?？贫S垂剖面模型對水平平面模，趔采取小等問距劃分，取個存點、剖分成個小角單兀在抽水片、同灌蚌附近溫度變化對比較劇烈段，剖分比較密在【域邊緣溫瞍變化比較平緩，劃分比較疏對垂隨剖面模型同樣采取小等問距劃分，共汁個市點，個角尊尢靠近取水蚌

6、或灌井附近劃分得密一些，它地方劃分得疏一些：部的雜填臣、素填土甚、粉噴粘土層和最部的泥均各劃為一怯，三粉砂怯劃分為層，細砂層劃分為層，中粗砂怯劃分為層，卵礫彳層劃分為層，共層一地溫場熱擴散數(shù)值模擬水平平面地溫場模擬根據(jù)取水、回灌井從地下提取或輸入熱量的不同，模擬出二維水平平面溫度場變化等值線圖，見圖圖二維水平平面熱擴散溫度變化等值線圖）】、【），【從二維水平平面熱擴散溫度變化等值線圖分析，制冷運行期問，地下溫度場在第三個月時就已經(jīng)產(chǎn)生熱貫通，抽水井周司平均溫度升高左右，回灌件周舊平均溫度升商超過：【：；供暖運行期問翟反向發(fā)眨，整體平均地溫持續(xù)走低；間過渡季節(jié)，地溫徐貴采刈紅湖肯地融局佟，島任芒

7、地溫【】奄州研試點壩總結(jié)報旨，（逐漸在地下窄間內(nèi)運移擴散平衡；至一個年度周期末，田灌井處由于冷量來不及消散，溫度低于初始溫度值，其它部分由于建筑物經(jīng)地源熱泵系統(tǒng)向地下排入的熱量多于冷量，平均地溫高仞始地溫，出現(xiàn)熱堆積現(xiàn)象一垂直剖面地溫場模擬二維垂直剖面熱擴散溫度變化等值線見圖地溫場熱擴散數(shù)值模擬結(jié)果分析研究圖是該項目實測平均地溫擬合【線，觀、觀、觀分別是抽水井處、抽水和回灌井之間、灌井處布設(shè)的地溫觀測片，將不同位置地溫的溫升幅度、溫眨變化時間和趨勢：述模型模擬結(jié)果耐比可以看出越一致的，說明昕建模，型具有現(xiàn)實懂用意義從實測曲線看，“號觀測孔”往“寸回灌井”附近，在制冷運行高峰期，觀測孔處地溫平均

8、值升約，進入供暖運行期，地下溫度降幅最低時降至仞始地溫以下二維平面模擬結(jié)果夏季高峰時地下溫良卜升，冬季時下降，已分接近實測結(jié)果圖地溫變化擬合曲線：、，結(jié)論（）本文建、的地溫場溫發(fā)擴散數(shù)￥：模型，能較準確地模擬地下水地源熱泉系統(tǒng)運期問地能運移情況和地溫場的變化特征，為類似項論證、為地源熱采系統(tǒng)沒汁提供參學(xué)圖二維垂直剖面熱擴散溫度變化等值線圖，），幾】（）該模型的使釘助于預(yù)判地下能建變化情況，合理凋控系統(tǒng)運行過程，避免地熱堆移：、熱癸通現(xiàn)象的發(fā)生，提高淺儈地溫能利效率和水（）由于熱的導(dǎo)過程是往吲訃【、進行的，模型將其簡化到一維或二維空問進研究此，數(shù)值模擬結(jié)果仔住，誤篾，【因此，建議：幔維數(shù)據(jù)模擬研究參考文獻：乍！沖垃小卜盆地趟、段：舔突破朗的地熱場數(shù)；地球科、中地蠡。：？：撤，（二：、，、，從【劉中叮以非常觀地看到小川深霆的地甚，溫度變化和能遺傳遞的過程，系統(tǒng)制冷運行一個，內(nèi)（地向地下排熱）于底部卵三【地水的快速導(dǎo)流，從回灌井到抽水井通道中已經(jīng)發(fā)乍熱通，要于平面平均溫度演示剖面；制冷運行結(jié)束時，卵百甚，溫度要升高左彳】而粗砂層只升高左：部土層中地溫升高儀：左彳：咬部巖層中地溫殲：，任影響深度很