深井回灌式水源熱泵井群運(yùn)行的地下含水層傳、蓄熱性能模擬研究(

1、    深井回灌式水源熱泵井群運(yùn)行的地下含水層傳、蓄熱性能模擬研究(1)    目前國內(nèi)進(jìn)行深井回灌式水源熱泵工程的井群設(shè)計(jì)和施工過程中，系統(tǒng)方案的可行性判據(jù)基本取決于單井出水量是否滿足求，以及能否實(shí)現(xiàn)良好的人工回灌。然而良好的設(shè)計(jì)還需考慮井群當(dāng)?shù)氐叵潞畬拥乃疅徇\(yùn)行與水文地質(zhì)條件、環(huán)境氣象因素和工程措施之間的關(guān)系。筆者通過比較目前流行的含水層流動(dòng)傳熱模擬程序，選擇利用了美國地質(zhì)調(diào)查局編寫的HST3D程序，對(duì)一典型雙井承壓含水層的溫度場和流場進(jìn)行了全年運(yùn)行模擬，對(duì)該程序應(yīng)用于此類問題的功能性和適用性作出評(píng)價(jià)，指出其

2、需完善之處。關(guān)鍵詞 深井回灌 水源熱泵 含水層水熱運(yùn)動(dòng) 熱貫通 建筑容積率 HST3D     問題的提出深井回灌式水源熱泵技術(shù)作為一種有益于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的冷熱源形式，在國內(nèi)外空調(diào)工程界已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用1 2，文獻(xiàn)3給出了其基本原理與相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。這一系統(tǒng)方式利用溫度全年相對(duì)恒定的地下水作為水源熱泵的水源，通過建造抽水及回灌井群，實(shí)現(xiàn)夏季抽冷水、灌熱水，冬季抽熱水、灌冷水的這一全年角色輪換的運(yùn)行過程，地下含水層內(nèi)部的熱量或冷量被提取、蓄存和轉(zhuǎn)移。井群是深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其正常運(yùn)行與否決定了應(yīng)用水源熱泵系統(tǒng)工程的

3、成敗，井群的設(shè)計(jì)布局應(yīng)當(dāng)是慎之又慎的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)進(jìn)行此類工程的井群設(shè)計(jì)和施工過程中，系統(tǒng)方案的可行性判據(jù)基本取決于單井出水量是否滿足求，以及能否實(shí)現(xiàn)良好的人工回灌。然而在進(jìn)行該類工程井群部分的可行性分析和設(shè)計(jì)中，還需考慮以下幾方面的問題：（1）當(dāng)?shù)睾畬又械哪芰啃畲?、轉(zhuǎn)移過程。應(yīng)用深井回灌方式，需在設(shè)計(jì)階段知道當(dāng)?shù)睾畬拥哪芰刻峁┠芰τ卸啻?，也就是系統(tǒng)可負(fù)擔(dān)的建筑容積率極限是多少。當(dāng)建筑物全年冷熱負(fù)荷不均勻時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于含水層溫度的常年影響效果如何，是否會(huì)造成含水層"背景溫度"逐年降低或升高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失敗，相關(guān)的應(yīng)對(duì)策略如何制定？（2）"熱貫通&quo

4、t;影響的避免由于回灌水與原始含水層溫度存在的差異，在導(dǎo)熱和對(duì)流等作用下，回灌井水"溫度鋒面"會(huì)導(dǎo)致近抽水井出水溫度有不同程度的升高或降低，通常稱為"熱貫通"現(xiàn)象。如何確定適宜的井間距，如何確定井群的布局，避免"熱貫通"的影響，是設(shè)計(jì)人員關(guān)心的主問題。對(duì)于高密度住宅小區(qū)或城區(qū)商用建筑應(yīng)用深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)來說，由于可利用建筑用地的面積限制，如何優(yōu)化井群布局及其各自對(duì)應(yīng)的抽水或回灌角色，最大限度地避免"熱貫通"的不利影響是尤為關(guān)鍵的。（3）水文地質(zhì)條件的影響作用該問題的核心是如何考慮速度相對(duì)較大的當(dāng)?shù)氐叵滤匀涣?/p>

5、動(dòng)的存在對(duì)于地下含水層溫度場和井群布局的影響，如何在建筑物冷全年熱負(fù)荷不均勻的情況下，利用自然地下水流場的存在，合理地優(yōu)化各井的抽水、回灌角色和輪換方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于能源的最優(yōu)利用。（4）地面機(jī)組和管道系統(tǒng)形式和運(yùn)行模式的影響作用利用"小流量、大溫差"的系統(tǒng)運(yùn)行方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于含水層蓄能的最大利用，同時(shí)減少對(duì)于地下水資源最小程度的開采利用3。在"小流量、大溫差"和傳統(tǒng)的"大流量、小溫差"兩種運(yùn)行工況下，地下含水量水層溫度場全年變化過程，以及所導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的井群布局差異如何，也是研究設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的問題。以上這些問題都需尋求對(duì)于井群部分的

6、含水層水熱運(yùn)動(dòng)過程適用的計(jì)算分析工具，研究井群當(dāng)?shù)氐叵潞畬拥乃疅徇\(yùn)動(dòng)與水文地質(zhì)條件、環(huán)境氣象因素和工程措施之間的關(guān)系，為該類系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)與分析提供科學(xué)的依據(jù)，以推動(dòng)集中式水源熱泵機(jī)組應(yīng)用的進(jìn)一步推廣。在此工程背景下，筆者通過比較目前工程學(xué)術(shù)界流行的含水層流動(dòng)傳熱模擬程序，選擇利用了美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的地下水流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)三維有限差分模擬程序HST3D，對(duì)一典型雙井承壓含水層進(jìn)行了全年溫度場和流場模擬，對(duì)該程序應(yīng)用本問題的功能性和適用性作出評(píng)價(jià)，指出其需完善之處。2 含水層中的水熱運(yùn)動(dòng)及相關(guān)數(shù)值模擬21 含水層中的水熱運(yùn)動(dòng)自然界含水層中的地下水流動(dòng)一般滿足達(dá)西定律，而含水層內(nèi)部的傳熱過程包

7、括：（1） 地下水的對(duì)流換熱過程；（2） 地下水的導(dǎo)熱過程；（3） 固體骨架的導(dǎo)熱過程；（4） 由于通過多孔介質(zhì)孔隙的不同流動(dòng)通道液體的機(jī)械混合造成的局部熱彌散，以及由于不同地質(zhì)成分構(gòu)造混合所造成的宏觀熱彌散過程；（5） 地下水與固體骨架之間的傳熱。在含水層傳熱中，當(dāng)含水層骨架顆粒較小和流體流動(dòng)雷諾數(shù)較低時(shí)，可以假定流體溫度場與固體骨架的溫度場時(shí)一致的，因此可以不考慮上面第5項(xiàng)的熱量傳遞。第4項(xiàng)由含水層多孔介質(zhì)熱彌散機(jī)理所造成的熱量傳遞，對(duì)于含水層內(nèi)部的整體傳熱過程存在著不可忽略的影響，特別是單井周邊含水層中由于相對(duì)較高的地下水孔隙流速，熱彌散的影響作用尤為突出。22 含水層水熱運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬含

8、水層水熱運(yùn)動(dòng)的建模和模擬計(jì)算工作，在含水層季節(jié)性熱蓄能等相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了較長時(shí)間的深入研究。含水層季節(jié)性熱蓄能的應(yīng)用和研究，早于上世紀(jì)七十年代中期已經(jīng)相繼在我國、北歐、北美等地區(qū)和國家開展。美國加州大學(xué)的Lawrence Berkeley Laboratory (LBL)建立了相應(yīng)的單井含水層蓄能有限差分?jǐn)?shù)值模擬程序CCC，并通過該程序?qū)ΜF(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬和分析4。國內(nèi)陳兆祥5和薛禹群6等亦完成了相關(guān)模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)工作。國際能源組織于1993年至2000年期間所完成的IEA ANNEX 8： Implementing Underground Thermal Energy Storage，

9、其中一個(gè)子項(xiàng)目就是關(guān)于地?zé)嵝钅艿脑O(shè)計(jì)分析工具應(yīng)用與評(píng)價(jià)，G?ran Helstr?m 7在其為該子項(xiàng)目所作的總結(jié)報(bào)告中列出了適用于含水層水熱運(yùn)動(dòng)分析現(xiàn)行軟件，包括AST、TWOW、SUTRA、Tradikon、HST3D等程序。Chiasson8的論文中亦列出了適用于含水層水熱運(yùn)動(dòng)分析的現(xiàn)行軟件，除以上所列以外，還包括SWIFT、AQUA3D、FEFLOW等。下面將對(duì)HST3D程序作原理和功能介紹。3 HST3D簡介            摘 目前國內(nèi)進(jìn)行深井回灌式水源熱泵工

10、程的井群設(shè)計(jì)和施工過程中，系統(tǒng)方案的可行性判據(jù)基本取決于單井出水         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。HST3D910是英文Three-Dimensional flow，Heat, and Solute Transport model 的簡稱，它是美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）于80年代末開發(fā)的一套開放型研究用程序。HST3D采用控制容積的能量平衡法對(duì)三維

11、流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)微分方程進(jìn)行離散求解，能夠?qū)崿F(xiàn)飽和含水層中流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過程的非穩(wěn)態(tài)模擬，可用于飽和地下含水層相關(guān)流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)問題的模擬，包括熱田和土壤熱、海水入侵、放射性核廢料填埋等問題。HST3D具有很強(qiáng)的實(shí)用性，其性能包括程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的模塊化、離散方法的簡單化和求解方法的多樣化、允許采用多種坐標(biāo)系及不等距網(wǎng)絡(luò)等，其開放性的模塊化結(jié)構(gòu)信紙科研人員可以根據(jù)需添加、修改或刪除相應(yīng)的模塊。HST3D所求解的流動(dòng)、傳熱以及物性方程11分別如下：飽和含水層的流動(dòng)微分方程： （1）飽和含水層的傳熱微分方程： （2）假定密度為壓力和溫度的函數(shù)，其液體物性方程： （3）HST3D對(duì)于離散方程的系數(shù)矩

12、陣的求解方法包括：（1）三對(duì)角直接求解法（2）逐次超松弛迭代法（3）基于紅黑排序的通用共軛梯度法（4）基于D4Z排序的通用共軛梯度法。HST3D能夠處理第一、第二和第三類邊界條件，能夠處理點(diǎn)源和面源問題，在三維網(wǎng)格坐標(biāo)方向允許設(shè)置不同的土壤傳導(dǎo)參數(shù)及容積參數(shù)。能夠處理承壓含水層問題，以及存在自由水面的潛水含水層問題。我們選擇HST3D作為問題計(jì)算分析工具，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)該程序應(yīng)用于本問題的功能性和適用性，利用 HST3D對(duì)一典型近似工況下的雙井承壓含水層的全年溫度場和流場進(jìn)行了模擬。4 雙井承壓含水層模擬選取區(qū)域?yàn)殚L300m×寬200m×厚30m的具有上下不透水層的雙井承壓含

13、水量水層為計(jì)算模型（見圖1），中部承壓含水層以及上下不透水層的厚度均為10m，相關(guān)水力熱力參數(shù)見表1。模型區(qū)域中央為一抽水井和一回灌井，兩井相距100m，兩井均為完整井（透水井壁空越整個(gè)承壓含水層）。模型的初始溫度為15，ABCD、EFGH邊界面為15恒溫邊界條件，ABFE、CDHG邊界面為定水頭邊界條件，ADHE、BCGF邊界為不透水邊界。模型設(shè)定為無自然水頭條件。圖1 承壓含不層計(jì)算模型示意圖模擬模型的含水層水力熱力參數(shù) 表1         承壓含水層    不透水層&

14、#160;   單位    滲透率    5.3×10-11    1×10-12    m2    孔隙度    0.25    0.35        固體骨架可壓縮系數(shù) &#

15、160;  4.6×10-4    4.6×10-4    Pa-1    固體骨架比熱容    696    696    J/(kg·)    固體骨架的熱傳導(dǎo)系數(shù)    2600    

16、;2600    kg/m3    縱向彌散率    4    0    m    橫向彌散率    1    0    m 為了盡可能模擬水源熱泵系統(tǒng)的全年"大溫差，小流量"的運(yùn)行工況，首先進(jìn)行持續(xù)50天的夏季工況運(yùn)行

17、，抽水及回灌流量均為1200t/d，回灌水溫恒為25；然后為持續(xù)50天的過渡季工況，兩井停止運(yùn)行；最后為持續(xù)50天的冬季運(yùn)行，抽水及回灌井輪換角色，流量均為1200t/d，回灌水溫恒為6。需強(qiáng)調(diào)的是，由于HST3D程序的輸入功能限制，本算例不得不采用固定流量和固定回灌溫度。該算例的模擬結(jié)果如下：由圖2可以看出，夏季工況期間，回灌熱水鋒面已經(jīng)到達(dá)抽水井，出現(xiàn)"熱貫通"現(xiàn)象，同時(shí)部分回灌熱量以導(dǎo)熱為主的方式向上下不透水層傳遞。由圖3可以看出，過渡季工況期間，熱量傳遞過程以導(dǎo)熱為主，大部分夏季回灌熱量在含水層內(nèi)部實(shí)現(xiàn)"跨季節(jié)"儲(chǔ)存。由圖4可以看出，冬季工況期間

18、，回灌冷水鋒面同樣已經(jīng)到達(dá)抽水井，但是由于夏季回灌熱水的存在，在一定程度上緩解了冷水鋒面對(duì)于抽水井出水溫度的影響。圖2 25連續(xù)回灌50天（夏季工況）含水量水層中心剖面溫度分布，A井回灌，B井抽水圖3 停止運(yùn)行連續(xù)50天（過渡季工況）含水層中心剖面溫度分布，A和B井停止運(yùn)行圖4 6冷水回灌連續(xù)50天（冬季工況）含水層中心剖面溫度分布， A井抽水，B井回灌由圖6可以看出，夏季工況期間，抽水井出水溫度逐步上升，由原始含水層溫度15升至約19；冬季工況運(yùn)行開始階段，由于夏季回灌熱量在含水層中的蓄存，抽水井出水溫度遠(yuǎn)高于含水層原始水溫，達(dá)24，可以看出在冬季運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)了部分夏季回灌熱量的"

19、熱回收利用"。圖5 雙井運(yùn)行期間含水層中心平面流速分布示意圖圖6 冬夏季抽水井出水水溫變化曲線5HST3D適用性評(píng)價(jià)筆者認(rèn)為，作為適用于深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)井群部分含水層水熱運(yùn)動(dòng)的模擬分析的工具，需能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾方面的功能：（1）能夠處理非穩(wěn)態(tài)問題，能夠讀入動(dòng)態(tài)的邊界條件參數(shù)（2）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于井群的參數(shù)設(shè)置（3）能夠處理熱邊界條件（4）能夠?qū)崿F(xiàn)壓力場（水頭）的計(jì)算（包括單井水頭和遠(yuǎn)端邊界的水頭影響）（5）能夠反映符合工程實(shí)際的真實(shí)的物理過程，能實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)與井群兩部分的聯(lián)合運(yùn)行工況分析。通過利用HST3D進(jìn)行雙井承壓含水層的模擬，可以看出HST3D可以滿足以上所列前4項(xiàng)功能，能夠?qū)?/p>

20、現(xiàn)一定水文地質(zhì)條件下含水層水熱運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)模擬，能夠給出在一定的井群運(yùn)行工況下能量在含水層中轉(zhuǎn)移、蓄存的過程分析，能夠給出抽水井的動(dòng)態(tài)溫度變化。但是HST3D還不能夠?qū)崿F(xiàn)地面以上部分（熱泵機(jī)組）和地面以下部分（井群及共周邊土壤）的全年聯(lián)合運(yùn)行分析，也就是說不能夠根據(jù)建筑物全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化判斷回灌溫度和水量，從而對(duì)于符合工程實(shí)際上的過程進(jìn)行模擬。由于HST3D具有一定的開放性和可拓展性，進(jìn)一步的工作將為添加相關(guān)的建筑物負(fù)荷模塊，完善其作為深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)井群運(yùn)行的地下含水層傳、蓄熱性能模擬研究的計(jì)算分析工具。       

21、;     摘 目前國內(nèi)進(jìn)行深井回灌式水源熱泵工程的井群設(shè)計(jì)和施工過程中，系統(tǒng)方案的可行性判據(jù)基本取決于單井出水         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。    摘 本文主介紹和評(píng)析幾種以銅管為通水部件、抗蝕能力強(qiáng)、能適應(yīng)我國一般供暖水質(zhì)使用求的新型銅鋁散熱器，適合于

22、在住宅供暖中使用，可供同行在工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)時(shí)參考。關(guān)鍵詞 住宅 銅鋁 散熱器 評(píng)析     1 概述我國的住宅建設(shè)，在近幾十年內(nèi)每年的建設(shè)量約為5.0億m2，其中較大部分在采暖區(qū)，年需散熱器約為1.5億片（折合鑄鐵四柱-600型散熱器）。加上舊房改建及老供暖系統(tǒng)更換散熱器，數(shù)量會(huì)更多一些。由于建設(shè)部已明令自2000年10月1日起實(shí)施按戶計(jì)熱與控制，并且城市供熱方式還是以城市集中供熱為主，所以適合熱水供暖使用的散熱器仍然是我們研究的重點(diǎn)。已于2001年4月1日實(shí)施的國家采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范采暖部分，對(duì)鋁制散熱器的內(nèi)防腐及鑄鐵散熱器內(nèi)腔不含粘砂等問

23、題提出了明確的求。在現(xiàn)有的各種散熱器中，鑄鐵散熱器推廣和采用內(nèi)腔無粘砂新工藝；鋼（板）制散熱器沿需解決人防腐技術(shù)；鋁制散熱器按即將實(shí)施的建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)求，必須采用人防腐措施，以能適用于水的pH12,氯離子含量120ppm的供暖系統(tǒng)。而新型銅鋁散熱器是以銅管為通水部件、充分發(fā)揮銅材耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)；以鋁材做成散熱部件，充分發(fā)揮鋁材密度小、易成型等優(yōu)點(diǎn)，可以生產(chǎn)在型式、尺寸、重量等方面都能適合住宅使用求的產(chǎn)品。本文將重點(diǎn)介紹我國目前興起的幾種新型銅鋁散熱器，以供同行選用或開發(fā)產(chǎn)品時(shí)參考。2 住宅對(duì)散熱器的求一般說來，住宅用散熱器的求為"安全可靠、輕薄美新"。"安全可靠&qu

24、ot;包括熱工性能及制造質(zhì)量兩大方面。求在規(guī)定的壓力條件下不漏水、在與普通鋼管近似的有效使用年限內(nèi)安全工作且散熱量無大的衰減、以及不會(huì)對(duì)人體造成損傷等方面；"輕"指采用鋼、鋁、銅、塑等薄壁輕型材料生產(chǎn)散熱器，以減輕散熱器自重，以及在熱工性能提高的基礎(chǔ)上減少金屬用量；"薄"指散熱器的厚度（寬度）盡量小一些，以少占平面面積，希望厚度在40100mm范圍內(nèi)；"美"指散熱器的外形、尺度、比例、色彩能與建筑裝修協(xié)調(diào)且有良好的表面處理；"新"造型新穎及新材料、新工藝、新技術(shù)的采用。我國是發(fā)展中國這，住宅有高、中、低檔的判別，所

25、使用的散熱器也應(yīng)當(dāng)有不同的檔次以滿足不同標(biāo)準(zhǔn)住宅的求。但上述的一般求則是一致的。對(duì)此求，新型銅鋁散熱器有極大的適應(yīng)性。面對(duì)我國的現(xiàn)實(shí)情況，將散熱器的通水部件和散熱部件區(qū)別對(duì)待，各用其材分而治之，可能是發(fā)展我國散熱器生產(chǎn)、保證安全使用的新出路。3 新型銅鋁散熱器的主優(yōu)點(diǎn)本產(chǎn)品的突出特點(diǎn)就是將散熱器中通風(fēng)部件與散熱部件分別處理、發(fā)揮銅材耐蝕特長及鋁材重量輕、導(dǎo)熱好、易成型的特點(diǎn)，具體優(yōu)點(diǎn)分述于后：31 以銅管作通水部件，耐蝕能力強(qiáng)，可以保證使用壽命高于供暖系統(tǒng)所用普通鋼管的使用壽命。按國家標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)循環(huán)冷卻水處理規(guī)范求（GB50050-95），碳鋼管壁的年腐蝕率應(yīng)小于0.125mm/a；銅、銅合金及

26、不銹鋼管管壁的年腐蝕率應(yīng)小于0.005mm/a。亦即銅管的耐蝕能力約為碳鋼管的25倍。即是用壁厚0.5mm的銅管也相當(dāng)于壁厚12.5mm碳鋼管的耐蝕年限。32 以銅管為通水部件，可以達(dá)到較高的承壓能力，提高散熱器的工作壓力。按照國家標(biāo)準(zhǔn)銅及銅合金拉制管（GB/T 1527-1997）的規(guī)定，對(duì)T2、T3牌號(hào)的銅管，產(chǎn)品的壁厚范圍為0.510mm，出廠液壓試驗(yàn)壓力的計(jì)算公式為： P=2·S·t/(D-0.8t) (MPa)式中，t為壁厚（mm）；D為管外徑（mm）;S為允許應(yīng)力（純銅為41.2MPa）。按此公式計(jì)算求得不同管徑及壁厚銅管的出廠試壓值見表1，據(jù)此可以根據(jù)散熱器工

27、作壓力的求選用不同壁厚的銅管。常用銅管出廠試驗(yàn)壓力計(jì)算值（MPa） 表1      外徑    壁厚（mm）    0.5    0.6    0.7    0.8    0.9    1.0    1.1   

28、; 15    2.82    3.40    3.99                    16    2.64    3.19    3.74&

29、#160;                   19    2.22    2.67    2.13                

30、;    20    2.10    2.53    2.97                    22    1.91    2.30  

31、;  2.69                    25    1.67    2.02    2.36    2.71                27    1.55    1.86    2.18    2.50                41