地下水地源熱泵系統(tǒng)地下能量變化數(shù)_圖文

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(lái);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(yùn)行時(shí)將地上的能量注入地下,這個(gè)能量在地下運(yùn)移擴(kuò)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(dòng)狀態(tài)、空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)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(chǎng)變化,反映出地下能量的變化和運(yùn)移特征。模型優(yōu)化后可以為同類項(xiàng)目前期論證、工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)高效運(yùn)行管理和監(jiān)測(cè)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(hào):P641.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-1211(201004-0408-040引言空調(diào)系統(tǒng)冷熱源屬性和變化特征是暖通

2、空調(diào)設(shè)計(jì)的依據(jù),目前對(duì)應(yīng)用最廣泛的風(fēng)冷空調(diào)在空氣中換熱的規(guī)律已有大量研究,并確定了相應(yīng)的環(huán)境氣候設(shè)計(jì)指標(biāo)。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(jì)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(duì)比較多,而地下水地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱和能量擴(kuò)散規(guī)律研究的很少。地下水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行后,地上地下產(chǎn)生能量循環(huán),原地溫場(chǎng)的平衡被打破,地溫不再是設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)的地下水在抽水井和回灌井之間直接、快速地運(yùn)移而相對(duì)更迅速、劇烈的發(fā)生。由于地下儲(chǔ)

3、熱、導(dǎo)熱、擴(kuò)散、影響范圍大小、地溫長(zhǎng)短期變化與平衡等對(duì)地下環(huán)境、系統(tǒng)能效高低、可持續(xù)運(yùn)行等影響大,所以研究地下能量的傳遞、擴(kuò)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(xiàng)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(dāng)?shù)孛嬉陨系哪芰?冷、熱注入后,地下空間內(nèi)地溫變化和能量擴(kuò)散的規(guī)律。1地溫場(chǎng)數(shù)學(xué)模型建立地下水地源熱泵系統(tǒng)地溫場(chǎng)溫度擴(kuò)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(yùn)行過程等諸多因素影響,是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過程。我們將錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際問題簡(jiǎn)化、抽象為合理的數(shù)學(xué)模型。圖l熱源井平面布置圖F i g.1L

4、a y o u Lo ft h eh e a ts o u r c ew e l l s圖2某項(xiàng)目地質(zhì)剖面圖F i g.2G e o l o g i c a lp r o f i l eo fap r o j e c t本項(xiàng)目受武漢市科技局科研項(xiàng)目“地源熱泵高效換熱及系統(tǒng)成套技術(shù)研究”(200760323107資助。1966高級(jí)工程師1.1某項(xiàng)目熱源井布置及地質(zhì)剖面某地下水地源熱泵項(xiàng)f j o共有6fI熱源井,兩抽四灌,地層結(jié)構(gòu):部為填土支粘+r#,r f1÷邵為砂甚科J卵礫石,咬部為泥7÷.i#見圖1、圖21.2熱演化數(shù)學(xué)模型f|心的地溫場(chǎng)熱演化數(shù)學(xué)模型為:f羔(七等+魯

5、(七等一。n裊tr;丁,+羔cr、r,+F=印警jT I=r I(x.y.t17'仁.I=妒(.Y.、式fI:7=T(x.、,為溫懂(;t為時(shí)間(s;厶為熱導(dǎo)牢(W/n i.;p為密受(k g/m'.t、為比熱(J/k g. f=n.:為流體速度(n1/s;f為熱源(W/m1; r.(r:,為邊界溫度(.妒(r.:為幸7J始時(shí)刻的溫良該饃J t-L j適用于E均勻介噴備陽(yáng)吲一陣的熱傳遞過程二:1.3模擬邊界條件及參數(shù)住釘限兀模擬過程中.lF i i定升q f i H-I刎-點(diǎn)溫嚏邵桐等,例受【1部等于17c c:隨著時(shí)問的延續(xù),邊界溫度仍然保持17,但在抽水井以及注水井處,有熱

6、麥流入或流出,味有地溫場(chǎng)的平衡被打破,地溫場(chǎng)中各點(diǎn)溫度隨時(shí)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(xiàng)1模擬取平均熱導(dǎo)二笨在1.729(/m.左f i,平均密愎近似為l800k,“1,平均比熱則近似為l400(J/k g.。模擬時(shí)間1年,時(shí)間M隔為5t1.汁算網(wǎng)格點(diǎn)處的溫度,然婿以每,j第一天的溫度數(shù)據(jù)繪制出溫嚏等值線圖1.4二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(chǎng)簡(jiǎn)化為二維水平平面模J t l J科l二維垂A剖面模型對(duì)水平平面模,趔采取小等問距劃分,f t取39×25 =975個(gè)存點(diǎn)、剖分成38x2x24=

7、1824個(gè)小i角單兀在抽水片、同灌蚌附近溫度變化f|i對(duì)比較劇烈段,剖分比較密.m i在【X域邊緣溫瞍變化比較平緩,劃分比較疏對(duì)垂隨剖面模型同樣采取小等問距劃分,共汁20×29=580個(gè)市點(diǎn),28x2x19=1064個(gè)i角尊尢靠近取水蚌或¨灌井附近劃分得密一些,l它地方劃分得疏一些:f:部的雜填t臣、素填土甚、粉噴粘土層和最F部的泥i-/三均各劃為一怯,粉砂怯劃分為5層,細(xì)砂層劃分為4層,中粗砂怯劃分為4層,卵礫彳i層劃分為2層,共19層一2地溫場(chǎng)熱擴(kuò)散數(shù)值模擬2.1水平平面地溫場(chǎng)模擬根據(jù)取水j、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(chǎng)變化等值線圖,見圖3

8、圖3二維水平平面熱擴(kuò)散溫度變化等值線圖1#3L.I l n lL lr1】a I¨fl I l t-n l l d lI J l f T u、I I l I li r【l1I1r a t ur I¨ll1t.tc,-d i r n r n-a l|1J r i i,u i t a l【J l a I l t|從二維水平平面熱擴(kuò)散溫度變化等值線圖分析,制冷運(yùn)行期問,地下溫度場(chǎng)在第三個(gè)月時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生J熱貫通,抽水井周司平均溫度升高2左右,回灌件周舊平均溫度升商超過7:【:;供暖運(yùn)行期問翟反向發(fā)眨,整體平均地溫持續(xù)走低;r p間過渡季節(jié),地溫O徐貴采刈紅I i.湖J t肯地融局I

9、佟,i島任芒地溫【】#奄i州f研試點(diǎn)壩f總結(jié)報(bào)旨,2(J08逐漸在地下窄間內(nèi)運(yùn)移擴(kuò)散平衡;至一個(gè)年度周期末,田1灌井處由于冷量來(lái)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)象一2.2垂直剖面地溫場(chǎng)模擬二維垂直剖面熱擴(kuò)散溫度變化等值線見圖4-圖4二維垂直剖面熱擴(kuò)散溫度變化等值線圖h#4,I1l t'u rn l a f I¨fI1r mlI T u,nI P mr d IL J幾.1f】I l i cl、i,-c l i r m-f l、¨¨l u ll i c-a lI J r

10、i,l I l t.從【劉4中叮以非常n觀地看到小川深J霆的地甚c,溫度變化和能遺傳遞的過程,系統(tǒng)制冷運(yùn)行一個(gè),j內(nèi)(地1-向地下排熱.f|j于底部卵f¨三【1地I-'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U I通,要1.于平面平均溫度演示剖面;制冷運(yùn)行結(jié)束時(shí),卵百甚c,溫度要升高4左彳】.而粗砂層I1只升高2左41+.I:部土層中地溫升高儀1:C左彳i:咬部巖層中地溫殲I:j 12,任l-影響深度很小,約在5m以內(nèi)(分折1j?÷膳_(tái)j二部為強(qiáng)風(fēng)化帶有關(guān)3地溫場(chǎng)熱擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果分析研究圖5是該項(xiàng)目實(shí)測(cè)平均地溫?cái)M合【j線,觀1、觀2、觀3分別是抽水井處、抽水

11、和回灌井之間、M灌井處布設(shè)的地溫觀測(cè)片,將不同位置地溫的溫升幅度、溫眨變化時(shí)間和趨勢(shì)jj:述模型模擬結(jié)果耐比可以看出越一致的,說(shuō)明昕建模,型具有現(xiàn)實(shí)懂用意義從實(shí)測(cè)曲線看,“3號(hào)觀測(cè)孔”往“6寸回灌井”附近,在制冷運(yùn)行高峰期,觀測(cè)孔處地溫平均值E升約6.5,進(jìn)入供暖運(yùn)行期,地下溫度降幅最低時(shí)降至仞始地溫以下3.4二維平面模擬結(jié)果夏季高峰時(shí)地下溫良卜升7,冬季時(shí)下降4,已f分接近實(shí)測(cè)結(jié)果圖5地溫變化擬合曲線r i g.5I:H'I h P m l a l、a r i a t i t,n n t t i n Uu n P4結(jié)論(1本文建、Z的地溫場(chǎng)溫發(fā)擴(kuò)散數(shù)￥:模型,能較準(zhǔn)確地模擬地下水地源

12、熱泉系統(tǒng)運(yùn)i i期問地F能jf運(yùn)移情況和地溫場(chǎng)的變化特征,為類似項(xiàng)l論證、為地源熱采系統(tǒng)沒汁提供參學(xué)(2該模型的使JJ釘助于預(yù)判地下能l建變化情況,合理凋控系統(tǒng)運(yùn)行過程,避免地F熱堆移:、熱癸通現(xiàn)象的發(fā)生,提高淺儈地溫能利f1J效率和水-i-(3由于熱的f導(dǎo)過程是往吲E0訃j J【J、J進(jìn)行的,模型將其簡(jiǎn)化到一維或二維空問J進(jìn)i i研究.I t d此,數(shù)值模擬結(jié)果仔住-,誤篾,【因此,建議J:幔i維數(shù)據(jù)模擬研究參考文獻(xiàn):1乍'l!.Z沖垃.E小卜盆地趟f、段l I:舔突破朗的地?zé)釄?chǎng)t J數(shù)f f t i f t i;l.J地球科、#中l(wèi) q地+蠡k。j:?:撤,i(x l I.二nf5

13、:5j3-5162WuC h o n g l o n S,Y a n gQ i,Z o uZ u o d u o,e t c.I l e n n o d y n a mi c sa n a l y s i s a n ds i m u l a t i o no fc o a lme t a mo r p h i s mi nt h eF u s h u nB a s i nJ.C h i n a I n t e m a t i o n a lJ o u m a lo fC o u lG e l o g y,2000,44:149-168.3劉紅衛(wèi),徐貴來(lái),張晴,等.回歸分析在地源熱泵系統(tǒng)地溫場(chǎng)

14、研究中的應(yīng)用J.工程地球物理學(xué)報(bào),2009(4:512-515.(責(zé)任編輯:胡立智S t u d yo fU n d e r g r o u n dE n e r g yC h a n g eS i m u l a t i o ni nG r o u n d w a t e rS o u r c eH e a tPu m pS y s t e mL I UH o n g w e i',X UG u i l a i',L IX i n g2(1.W u h a nI n s t U u l eo fG e o l o g i c a lE n g i n e e r i n gE

15、 x p l o r a l i o n,W u h a n,l u b e i430051;2.t h p a r t r n e r Uo f,f a t h e m a t i c sa n dP l y's i c s,C h i n aU n u r r s i y'o fG e o s c i e n o e s,W u h a n,l u b e i430074Ab s t r a c t:Wh i l et h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mr u n s,i tp o u r st h ee n

16、 e r g yi n t ot h ee a r t h,o fw h i c ht h em i g r a t i o na n d p r o l i f e r a t i o np r o c e s sa n dp a t h sa r ev e r yc o mp l e xt h a ti ti sb o u n du pw i t ht h ec o n d i t i o no ft h er o c k,t h ef l o w i n gs t a t eo ft h e g r o u n d w a t e ra n dt h er u n n i n gp r

17、o c e s s i n go ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m.U s i n gt h er i n i t ee l e me n tme t h o d,t h ea u t h o r ss e tu pa m o d e la b o u tt h et e m p e r a t u r ec h a n g eo ft h ee L u t h,s i m u l a t et h ec h a n g e so ft h et e m p e r a t u r eo nt h el e v e lo ft h ep

18、 l a n ea n dt h e p r o f i l ew h i c hr e f l e c tt h ef e a t u r eo ft h ee n e r g ymi g r a t i o na n dc h a n g e s.l tc a na l s op r o v i d et h es i mi l a rp r o j e c tw i t ht e c h n i c a l s u p p o r ti nt h ep r e-d e m o n s t r a t i o n,t h ee n g i n e e r i n gd e s i g n,t h ee f i