海水源热泵系统取水技术试验

第42卷 第1期 2009年1月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University V ol.42 No.1 Jan. 2009

收稿日期：2008-03-04；修回日期：2008-08-28.

基金项目：天津市建委科技资助项目(2007-37).

作者简介：吴君华（1978— ），女，博士研究生，讲师. 通讯作者：吴君华，td_wjh@https://www.360docs.net/doc/1d11426656.html,.

海水源热泵系统取水技术试验

吴君华1,2，由世俊1，李海山2

（1.天津大学环境科学与工程学院，天津300072；2.燕山大学建筑工程与力学学院，秦皇岛 066004）

摘 要：为了提高海水源热泵系统的热源温度，

提出采用海岸井取水系统. 搭建海岸井取水试验台,进行抽水试验研究该系统的渗流换热特点. 试验结果表明，渗流换热过程中含水层温度变化最大，含水层周围土壤层的温度变化有明显的衰减和滞后. 海水渗流与土壤换热后供水水温提高，且间歇供热过程可以缓解抽水过程中井水水温下降速度，从而为热泵机组提供一个具有相对稳定和较高温度的热源.

关键词：海水源热泵；可再生能源；取水系统；海岸井

中图分类号：TU991.1 文献标志码：A 文章编号：0493-2137（2009）01-0078-05

Experiment on Intake Technology of Seawater

Source Heat Pump System

WU Jun-hua 1,2，YOU Shi-jun 1，LI Hai-shan 2

（1.School of Environmental Science and Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ； 2.College of Architecture Engineering and Mechanics ，Yanshan University ，Qinhuangdao 066004，China ）

Abstract ：A beachwell intake system was proposed to provide water with higher temperature for seawater source heat

pump. Pumping tests were conducted on a beachwell intake system to study the characteristics of seepage and heat transfer.Experimental results showed that the maximum temperature variation appeared in aquifer and there were obvious tempera-ture attenuation and lag in other soil layers during the process of seepage and heat transfer. Supply water temperature was higher than that of seawater because heat was transferred from soil to fluid when seawater was filtered through the aquifer. Besides, the supply water temperature decrease could slow down during the intermittent heating. So this intake system guar-anteed relatively stable higher temperature supply water as heat source.

Keywords ：seawater source heat pump ；renewable energy ；seawater intake system ；beachwell

海水源热泵属水源热泵，给系统除了做必要的防腐处理外，热泵机组方面技术是相对成熟的，而解决海水取水问题是海水源热泵技术的关键．海水取水技术内容包括取水方式和供水参数，且供水参数中水温、水质和水量直接影响海水源热泵系统的运行效果，并决定了整个热泵系统的初投资及运行和维修维护费用．

国内外用于海水源热泵系统的取水方式大部分是直接取海水[1-4]．不同地区水文地质条件不一样，取水方式也会有所不同．笔者针对天津海域特殊的

水文地质条件，提出将海岸井取水系统用在海水源热

泵系统中．国外对这种取水系统已有研究，但只是将这种取水系统用于海水淡化工程[5-7]，因此研究内容重点集中在取水水量和水质上，而用于海水源热泵系统时，取水水温也是一个很重要的技术参数．笔者将搭建一个海岸井取水试验系统，对这种取水系统进行基础试验的研究，目的是初步探讨海岸井取水系统的渗流换热特点，为下一步海岸井取水系统的渗流换热理论模拟以及海岸井取水技术的推广提供试验 基础．

2009年1月吴君华等：海水源热泵系统取水技术试验 ?79?

１ 天津海域水文地质条件

天津市地处中国华北平原的东北部，西北背枕燕山，东南面临渤海，海岸线长约133 km．天津沿海地区位于渤海湾西岸，在构造单元上属黄骅坳陷西部的南部凹陷，老的基底岩层深埋于地下，上部覆盖着数百米至数千米厚的新生代地层，岸线平直为典型的平原淤泥质海岸[8]，而深度为1~6 m的海水，受泥沙、鱼、海草和海藻、水母和海蜇以及其他海生物高度污染[9]，不宜直接抽取使用．

用于海水源热泵系统的海水取水系统不仅对海水水质有要求，对水温也有很高的要求．鉴于此，2008年1月笔者对天津近海岸海水水温进行了监测．天津海域海水冬季短期结冰（图1）；海面向下20 m范围内海水温度分布均匀一致，冬季最低水温为?1.8℃．由于海水最低温度接近冰点，所以不宜直接将海水作为热泵热源使用．

从上述对天津海域水文地质条件分析可见，冬季天津海域海水不宜直接用作热泵热源．本文中介绍的海岸井取水系统是通过土壤渗透取水，取得的海水不仅水质较好，而且水温较高．

图1天津海域冬季结冰照片

Fig.1Ice picture of Tianjin sea in winter

2 取水系统试验研究

2.1 试验系统介绍

试验系统所在地的地面标高平均为＋4.40 m．该场地深度约11 m范围内土体为人工回填形成．人工回填土具体土层分布见图2，其中贝壳层为含水层，其平面尺寸为45 m×200 m（图3），厚度为1.5~3 m （图2）．取水试验系统由抽水井和观测井及测温点组成，其中抽水井和观测井的具体深度和口径大小如图2所示，平面布置见图3．在测温点（图3）处，地面以下11 m内布置了11个温度测点，用来测试11 m内地层温度变化.

图4为贝壳层土样实物照片

.

图2取水试验系统立面示意（单位:m）Fig.2Vertical plan of the intake test system（Unit：m）

图3取水试验系统平面示意（单位:m）

Fig.3Plan of the intake test system（Unit：m）

图4贝壳层土样实物

Fig.4Picture of shell soil sample

2.2 含水层参数识别

2.2.1 含水层补给水源

从现场取回海水和井水水样，在实验室进行水质测试分析，结果见表1．由于试验系统中贝壳土层即含水层的一面直接与海水相通，其他面均与渗透性较差的黏土接触，结合该地区地下最浅含水层位于地面以下20~25 m处，所以可以认为在抽水状态下贝壳土层水源补给主要为海水．

表1水质分析结果

Tab.1Results of water quality analysis

水样pH 3

CaCO

b/

(mg?L?1)

2

Ca

b

+

/

(mg?L?1)

2+

Mg

b/

(mg?L?1)

Cl

b

?

/

(mg?L?1)

矿物度/

%

海水7.66 4 520 396 847 12 226 2.392

井水7.72 4 420 384 830 10 283 2.498 2.2.2 含水层水理特性参数

含水层水理特性直接影响取水系统的出水量和换热效果．不同的水文地质条件，含水层的水理特性

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参数也不同．采用现场抽水试验初步判定试验系统中含水层在一定出水量下的水流流态，并初步计算水层的渗透系数．

判断地下水水流流态公式为[10]

11

22

Q S Q S =

（1）

式中Q 1和Q 2是井水水位降深为S 1和S 2时的抽水 量．根据二次抽水测试结果（图5）分析，抽水量和水位降深关系基本符合式（1），故可以认为地下水流动状态为层流，即海水在含水层中的流动符合达西定律适用条件．

图5 不同抽水量时的水位

Fig.5 Water levels under different pumping yields

通过海水、观测孔和抽水井的水位及其之间的距离关系可以初步求得含水层的渗透系数，公式为[10]

1

11

0.3662lg Q d r K mS r ?= （2）

式中：K 为渗透系数，m/s ；Q 为抽水量，m 3/s ；

m 为含水层厚度，m ；S 1为观测孔水位降深，m ；d 为抽水井距海水的距离，m ；r 1为抽水井距观测孔的距离，m ．式（2）的适用条件为稳态流动．虽然井水水位有明显的潮汐效应，从井里抽水时，抽水量始终处于变化状态，但是从图6可以看出井水和观测孔水位与海水变化几乎同步没有滞后，所以可以将含水层水流做稳态流动计算；当平均出水量为43 m 3/h 时，海水水位比抽水井水位平均高87 cm ，比观测孔水位平均高44 cm ．此外，由于该试验系统中含水层只有一面为补给水源侧，其他均与黏土相连，可以认为其他面为隔水边界．根据井水与海水在整个抽水过程中变化基本同步初步判定含水层渗透性很强，而含水层的上下土层为黏土，其渗透性远远低于该层，所以含水层中的地下水可以看作是承压水．结合以上前提条件，将试验结果代入式（2）初步计算得该含水层的平均渗透系数约为0.002 9 m/s ． 2.3 试验过程和内容

抽水换热试验于2007年12月22日16：00开始，25日上午10：00结束．在平均抽水量为43 m 3

/h

图6 抽水时水位变化

Fig.6 Changes of water level during pumping test

的66 h 抽水和停止抽水后的48 h 里，测试内容包括：记录水平方向上海水、井水和观测孔的水温变化；观测垂直方向上测温点处地下11 m 内的地层温度变化．

3 试验结果与分析

图7给出抽水试验前平面图中的测温点处地下11 m 内地层温度在一天内的变化．从图7可以看出，地面以下土层1~6 m 的温度随地层深度的增大而增大，其中4~5 m 温度变化不大，保持在15.5 ℃左右；7~10 m 的温度随地层深度的增大而降低，其中9 m 处温度和10 m 处温度基本一致为13.5 ℃；11 m 处比10 m 处温度高1 ℃．图7给出了初始地下11 m 内地温场分布，可以看出初始地层温度场中含水层的温度较上下土层的温度低，即含水层较上下土层与低温海水之间的传热快．

图8给出抽水的66 h 到停止抽水后的48 h 内平面图中的测温点处地层温度变化，图8中的分界线为停止抽水的时刻点．由于地下0~3 m 内地层温度在整个试验过程中没有受影响，故在图8中没有对其进行描述．从图8可以看出，22日下午16：00开始抽水后，7 m 、8 m 和9 m 处温度先开始降低，7 m 处温度总的降低幅度远大于8 m 和9 m 处温度的降低幅度；25日4 m 、5 m 和6 m 处温度开始降低，6 m 处温度降低幅度大于4 m 和5 m 处温度的降低幅度；25日上午10点停止抽水，4 m 、5 m 和6 m 地层温度继续降低，且其温度变化主要受7 m 处温度变化的影响，当7 m 处温度停止下降后，4 m 、5 m 和6 m 地层温度开始回升；7 m 处温度在停止抽水后表现为继续下降，随后下降变缓最后回升；8 m 和9 m 处温度在停止抽水后开始回升，但温度上升幅度较小；10 m 和11 m 处温度在整个过程中一直保持基本不变．可见在垂直方向上含水层温度降幅最大，温度回升滞后时间最长；周围土层距含水层越远其温度降幅越小，滞

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后时间越长，但温度回升越快．

(a) 空气温度和地下2 m内地层温度变化

(b)地下2~11 m内地层温度变化

图7抽水前地层温度变化

Fig.7Variation of of different soil layers′

temperature before pumping

图8抽水过程中不同地层温度变化Fig.8Variation of different soil layers' temperature during pumping

图9给出整个抽水过程中海水、井水以及观测孔水的水温变化．从图9可以看出，初始温度分布显示靠海越近水温越低且温度变化梯度越大；抽水12 h内，井水温度降低1.04 ℃；抽水24 h内，井水温度降低 2.31 ℃，说明抽水过程中井水水温下降幅度逐渐增大．井水、观测孔水和海水的水温变化反映了水平方向上的传热特点：抽水会加快含水层水平方向上的换热从而增强传热，测孔水和井水水温之间的温差减小也证实了这一点．

图9抽水过程中水温变化

Fig.9Variation of water temperature during pumping

图10给出24日上午10：00到26日上午10：00观测孔水和井水的水温变化，图中分界线为停止抽水的时刻．从图10可以看出，停止抽水后井水水温不再下降，结合土层垂直方向上的传热特点，周围土层温度回升减缓了井水水温的下降速度．

图10停止抽水前后水温变化

Fig.10Variation of water temperature before

and after stopping pumping

4 结 论

（1）水平方向上，海水渗流与土壤换热使得井水水温高于海水水温．

（2）抽水过程中，含水层温度降幅最大，停止抽水后温度回升滞后时间最长；距离含水层越远的周围土层在抽水状态下温度降幅越小，滞后时间越长，但停止抽水后温度回升越快．所以可以认为垂直方向上土层之间的传热存在时间延迟和温度衰减等显著特点．

（3）结合水平方向和垂直方向上的传热特点，在采用海岸井系统取水时，供水过程中可以利用间歇供热过程恢复含水层周围土层的温度，从而使出水井水温下降得到缓解，保证有相对稳定和较高的出水温度，从而使海水源热泵机组的运行效率提高和安全性增强．

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