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(shè)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(yù)測水溫和水位的變化趨勢，模擬結(jié)果區(qū)內(nèi)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(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)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(diào)系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行制冷和供暖的采能技術(shù),近年來2該系統(tǒng)的工程應(yīng)用已比較廣泛。在應(yīng)用過程中，

2、盲目的利用水源熱泵技術(shù)，在新建水源熱泵工程設(shè)計(jì)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(dǎo)致水源熱泵機(jī)組換熱效率降低。筆者結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目建立地下水水溫和水位的數(shù)值模型，預(yù)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(xiàng)目提供參考依據(jù)。2沈陽市某區(qū)A項(xiàng)目擬采用水源熱泵工程，其采暖和制冷面積為59920.96m。該項(xiàng)目采33暖期用水量為850432 m，制冷期用水量為678442m，設(shè)計(jì)抽水井5眼，回水井17眼。項(xiàng)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(jìn)行數(shù)值模擬檢驗(yàn)對已有用戶B-F是否造成熱貫通和取回水影響，成了該項(xiàng)目能否通過水行政專管部門審批的關(guān)鍵。各項(xiàng)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(zhì)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(zhì)粘土，成半膠結(jié)狀，砂礫石微風(fēng)化，厚度約12.5m。將含水層視為潛水含水層，第三系風(fēng)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(dǎo)水特征及導(dǎo)溫特征等，將模型概化為非均質(zhì)各向同性含水層，局部可視為均質(zhì)。 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(nèi)地下水流向?yàn)楸睎|至西南, 水力坡度為0.001-0.002左右.地下水流的概化：計(jì)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(yùn)動，水流符合達(dá)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(cè)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(bǔ)給忽略不計(jì)，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(xiàng)的處理工程A場區(qū)內(nèi)用戶水源熱泵工程共計(jì)5眼抽水井，17眼回灌井；工程B-F場區(qū)內(nèi)用戶水源熱泵工程共計(jì)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(zhì)概念模型，建立研究區(qū)地下水水流數(shù)學(xué)模型，其具體表達(dá)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(zhì)的溫度，；為地下水密度，kg/m³；b為空隙介質(zhì)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(jì)算區(qū)范圍；1為第一類邊界條件。（2）地下水溫?cái)?shù)值模型根據(jù)水文地質(zhì)條件和熱力學(xué)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(zhì)密度，kg/m³；cS為空隙介質(zhì)比熱容，J/（Kg·）；K為水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·）；KS為空隙介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·）；I為單位矩陣；D為熱機(jī)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(jìn)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(nèi)流場特征、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)。1.4水文地質(zhì)參數(shù)確定計(jì)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(yàn)和觀測資料所確定，見表 21。地下水密度、熱導(dǎo)率、比熱容、熱機(jī)械彌散張量等參數(shù)主要是根據(jù)區(qū)域試驗(yàn)資料所確定。表1 水文地質(zhì)參數(shù)及熱傳導(dǎo)參數(shù)2.預(yù)測結(jié)果與分析2.1 地下水溫模擬預(yù)測結(jié)果分析對A區(qū)采用水源熱泵工程方案進(jìn)行了預(yù)測一個采暖期和一個制冷期的地下水溫變化趨勢預(yù)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(jī)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(dá)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(chǎn)生影響。地下水溫模擬結(jié)果見圖2-1和圖2-2.圖2-1 采暖期末地下水溫預(yù)測等值線圖 圖2-2 冷期末地下水溫預(yù)測等值線圖 2.2 地下水位模擬預(yù)測結(jié)果分析對A區(qū)采用水源熱泵工程方案進(jìn)行了預(yù)測一個采暖期和一個制冷期的地下水位變化趨勢預(yù)測。A

10、區(qū)水源熱泵系統(tǒng)冬季采暖期運(yùn)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(yùn)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(yùn)行產(chǎn)生影響。地下水位模擬結(jié)果見圖2-3和圖2-4.圖2-3 采暖期末地下水位預(yù)測等值線圖 圖2-4制冷期末地下水位預(yù)測等值線圖 3.結(jié)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(yù)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案進(jìn)行對地下水水溫和水位的數(shù)值模擬，嚴(yán)格按照有關(guān)審批程序的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，避免用戶間產(chǎn)生熱貫通等對地下水環(huán)境造成影響。參考文獻(xiàn)： 1 倪龍, 封家平, 馬最良. 地下水源熱泵的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展 J . 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 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(yīng)用過程中的問題分析J 流體機(jī)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