水源热泵工程集中区地下水温度场的数值模拟分析.

水源热泵工程集中区地下水温度场的数值模拟分析
摘要：为了避免地下水源热泵用户集中区用户间的热贯通，需要合理布设取回水井。

文章采用有限单元法建立地下水温和水位数值模型，预测水温和水位的变化趋势，模拟结果区内地下水温冬季变化范围6.3～14.2℃，夏季变化范围11.5～21.2℃，满足水源热泵工程对取回水的要求，能够避免了用户间的热贯通。

通过建立合理的数值模拟，能够定量地分析水源热泵工程抽回水对地下水温度场变化，为合理取回水井设计提供依据。

关键词：水源热泵；地下水位和水温；数值模拟；热贯通
[1] 地下水源热泵空调系统是一种利用浅层地热能进行制冷和供暖的采能技术,近年来
［2］该系统的工程应用已比较广泛。

在应用过程中，盲目的利用水源热泵技术，在新建水源热
泵工程设计过程中有时只考虑满足自身的使用，而忽略了对周围地下水环境的影响，从而造
[3-4]成热贯通等现象，导致水源热泵机组换热效率降低。

笔者结合实际项目建立地下水水温和水位的数值模型，预测水温和水位的变化趋势，为在水源热泵用户较多的地区的新建水源热泵工程项目提供参考依据。

2沈阳市某区A项目拟采用水源热泵工程，其采暖和制冷面积为59920.96m。

该项目采
33暖期用水量为850432 m，制冷期用水量为678442m，设计抽水井5眼，回水井17眼。

项目
3周围水源热泵用户比较多，如图1所示。

B用户距离A100m，用水量
26.48m/h，有1眼抽水
3井和1眼回灌井；C用户距离A260.0m，用水量90.0m／h ，1眼抽水井，3眼回水井；D用
3户距离A区380.0m，用水量为253.0m/h，2眼抽水井，6眼回灌井；E用户距离A100.0m，
33用水量为98.0 m/h，1眼抽水井，1眼回灌井；F用户距离A230.0m，用水量为240.0 m/h，
抽水井2眼，回灌井7眼，上述用户均利用水源热泵采暖和制冷。

因此对地下水水温和水位进行数值模拟检验对已有用户B-F是否造成热贯通和取回水影响，成了该项目能否通过水行政专管部门审批的关键。

各项目位置如图1所示。

图1 位置示意图
1模型建立
1.1 水文地质概化模型
①含水层类型的确定：含水层岩性为上部为中粗砂含卵砾石含有少量粘土，厚约
21.5～22.5m，下部是由砂砾组成含粉质粘土，成半胶结状，砂砾石微风化，厚度约12.5m。

将含水层视为潜水含水层，第三系风化砂砾岩被视为含水层底板。

根据含水层的类型、岩性、厚度、导水特征及导温特征等，将模型概化为非均质各向同性含水层，局部可视为均质。

1
②地下水特征.地下水位埋深为11.0～12.0m左右，地下水温度12℃ . 在天然状况下，场区内地下水流向为北东至西南, 水力坡度为0.001-0.002左右.
③地下水流的概化：计算区地下水位受枯丰水期影响有一定变化，水流呈非稳定状态，但总体上区域地下水为层流运动，水流符合达西定律，全区可视为非稳定二维平面流。

④模拟区边界类型的划分：本次将模拟区4个方向侧面边界概化为定水位边界，其中东部边界水位为36.0m，西部边界水位为30.0m；模拟区地表入渗条件较差，大气降水入渗补给忽略不计，将顶部边界概化为隔水边界；将下更新统地层定为隔水底板边界。

○5源汇项的处理
工程A场区内用户水源热泵工程共计5眼抽水井，17眼回灌井；工程B-F场区内用户水源热泵工程共计7眼抽水井，18眼回灌井。

1.2地下水流与温度耦合数值模型
（1）地下水流数值模型
根据水文地质概念模型，建立研究区地下水水流数学模型，其具体表达式为
nρ0βP∂P∂T∂PK+nρ0βT+ραb=∇•ρP(∇P+ρg) （1）
∂t∂t∂tμ
P(x,y,z,t)|t=0=P0(x,y,z) (x,y,z)∈D （2）P(x,y,z,t)|Γ1=P(x,y,z) (x,y,z)∈Γ1 （3）
式中: n 为孔隙度；ρ0为液体的参考密度，kg/m³；βP为水的压缩系数， Pa-1；p 为地下水压力，Pa；t 为时间，s；βT为水的热膨胀系数，℃-1；T 为水和孔隙介质的温度，℃；ρ为地下水密度，kg/m³；αb为空隙介质的压缩系数，Pa-1；▽为梯度算子；KP为渗透能力张量，㎡；μ为水的黏度，Pa·s；g为自由落体加速度，m2/s；D为计算区范围；Г1为第一类边界条件。

（2）地下水温数值模型
根据水文地质条件和热力学条件,建立地下水流与温度耦合热传递数值模型，如下：
∂P∂T∂P∂T∂P∂T+nρ0βTcfT+ραbcfT+nρcf-ρscsTαb+(1-n)ρscs=∂t∂t∂t∂t∂t∂t （4）
∇∙(nKf+(1-n)Ks)I∇T+∇∙nD∇T-∇∙nρCSvTnρ0βPcf
T(x,y,z,t)|t=0=T0(x,y,z) (x,y,z)∈D （5）T(x,y,z,t)|Γ1=T(x,y,z) (x,y,z)∈Γ1 （6）
式中: cƒ为水的比热容，J/（kg·℃）；ρS为空隙介质密度，kg/m³；cS为空隙介质比热容，J/（Kg·℃）；Kƒ为水的导热系数，W/(m·℃）；KS为空隙介质导热系数，W/(m·℃）；I为单位矩阵；D为热机械弥散张量，W/(m·℃）；ν 为水的流速，m/s。

1.3 区域剖分
采用有限单元法进行地下水开采后水流数值模拟，模拟软件选用Feflow5.0，根据区内流场特征、系统的结构特征、水力特征和边界条件，将模拟区划分为的的长方形区域，模拟区的面积1.0km2。

将模拟区剖分为6160个三角单元，含6248个节点。

1.4水文地质参数确定
计算所用的渗透系数、给水度、孔隙度等参数主要是根据试验和观测资料所确定，
见表 2
1。

地下水密度、热导率、比热容、热机械弥散张量等参数主要是根据区域试验资料所确定。

表1 水文地质参数及热传导参数
2.预测结果与分析
2.1 地下水温模拟预测结果分析
对A区采用水源热泵工程方案进行了预测一个采暖期和一个制冷期的地下水温变化趋势预测。

A-F区所有水源热泵工程采暖期回灌井最低水温未低于5.0℃，抽水井水温9.0℃以上；制冷期回灌井最高水温未高于21.5℃，抽水井水温11.0～15.0℃，采暖期和制冷期均满足A-F用户水源热泵机组5℃的换热要求。

回水的影响范围为25.0～50.0m，其中距离最近的B用户和C用户抽水井水温可以达到12.0℃，回灌井9.0～10.0℃，均满足B-F用户取水水温要求，因此A区冬季采暖和夏季制冷不会对周围已有用户水源热泵工程水温产生影响。

地下水温模拟结果见图2-1和图2-2.
图2-1 采暖期末地下水温预测等值线图图2-2 冷期末地下水温预测等值线图 2.2 地下水位模拟预测结果分析
对A区采用水源热泵工程方案进行了预测一个采暖期和一个制冷期的地下水位变化趋势预测。

A区水源热泵系统冬季采暖期运行后，A区地下水位为30.5-
31.5m，抽水井影响范围100.0～150.0m，回水井影响范围100.0m；夏季制冷期运行后，场区地下水位为30.2-31.5m，抽水井影响范围100.0～150.0m，回水井影响范围100.0m。

总体影响范围为100.0～150.0m左右，对B-F用户去水、回灌均
不造成影响，因此冬季采暖和夏季制冷均不会对周围已有用户水源热泵运行产生影响。

地下水位模拟结果见图2-3和图2-4.
图2-3 采暖期末地下水位预测等值线图图2-4制冷期末地下水位预测等值线图 3.结论与建议
1.通过建立地下水温和水位的数值模型，可以预测地下水动态变化趋势和影响范围，确定水源热泵抽回水对周边其它水源热泵用户甚至整个区域地下水环境的影响，能为水源热泵工程设计提供良好的依据。

2.在水源热泵用户较多的地区新建水源热泵工程，建议按设计方案进行对地下水
水温和水位的数值模拟，严格按照有关审批程序的设计方案进行，避免用户间产生热贯通等对地下水环境造成影响。

参考文献：
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[2] 张群力，汪晋．地源热泵和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题分
析［J］．流体机械，2003，31( 5) : 50 ～ 54．
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[4 ]Ghossen R M, Richard C P. Optimizing irrigation management for pollution control and sustainable crop yield[ J].Water Resources Research, 1995( 4):760- 767.。