海水源热泵系统取水技术试验

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
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.
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
图 3 取水试验系统平面示意（单位:m） Fig.3 Plan of the intake test system（Unit：m）
图 1 天津海域冬季结冰照片 Fig.1 Ice picture of Tianjin sea in winter
系统所在地的地面标高平均为＋4.40 m．该
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．
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 2 取水试验系统立面示意（单位:m） Fig.2 Vertical plan of the intake test system（Unit：m）
层的渗透系数． 判断地下水水流流态公式为[10]
Q1 = S1
（1）
Q2 S2
式中 Q1 和 Q2 是井水水位降深为 S1 和 S2 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 6 抽水时水位变化 Fig.6 Changes of water level during pumping test
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．
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]
K = 0.366Q lg 2d − r1
（2）
mS1
r1
式中：K 为渗透系数，m/s；Q 为抽水量，m3/s；m 为含
水层厚度，m；S1 为观测孔水位降深，m；d 为抽水井 距海水的距离，m；r1 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
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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天津大学学报
第 42 卷 第 1 期
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
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 m3/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
图 4 贝壳层土样实物 Fig.4 Picture 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．
水样
海水 井水
表 1 水质分析结果
Tab.1 Results of water quality analysis
pH
bCaCO3 /
b / Ca2+
b / Mg2+
bCl− / 矿物度/
(mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) %
7.66 4 520
396
847 12 226 2.392
第 42 卷 第 1 期 2009 年 1 月
天津大学学报 Journal of Tianjin University
Vol.42 No.1 Jan. 2009
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）
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
WU Jun-hua1,2，YOU Shi-jun1，LI Hai-shan2
（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2.College of Architecture Engineering and Mechanics，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）
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．
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 5 不同抽水量时的水位 Fig.5 Water levels under different pumping yields
图 4 为贝壳层土样实物照片.
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．
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 temperature 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 guaranteed relatively stable higher temperature supply water as heat source. Keywords：seawater source heat pump；renewable energy；seawater intake system；beachwell