熱負(fù)荷對(duì)同井回灌地下水源熱泵抽水的影響

0同井回灌地下水源熱泵回灌排水率及含水層單位面積、厚度、構(gòu)成模型地下水源熱泵的最小水源是地下水。地下水的溫度和全年變化很小。地下水源熱泵機(jī)組的供熱季節(jié)性能系數(shù)和能效比很高,相對(duì)于空氣源熱泵系統(tǒng),能夠節(jié)約23%～44%的能量,減少高峰需電量,對(duì)于減小電網(wǎng)峰谷差有積極意義。實(shí)測(cè)表明,地下水源熱泵的效率和出力不受室外氣溫的影響;隨著室外氣溫的降低,其效率增加。同井回灌地下水源熱泵秉承了地下水源熱泵的優(yōu)點(diǎn),并且減少了水井個(gè)數(shù),從而減小了占地面積,節(jié)省了初投資。但由于同井回灌地下水源熱泵抽水和回灌在含水層同一徑向位置不同深度處同時(shí)發(fā)生,增加了熱貫通的可能性。不同地區(qū)的不同建筑物具有不同的負(fù)荷特性,這必然會(huì)對(duì)同井回灌地下水源熱泵地下水滲流和換熱產(chǎn)生影響。為了初步了解此影響,筆者模擬研究了負(fù)荷對(duì)抽水和回灌降深及對(duì)抽水溫度和熱影響范圍的影響。本文討論時(shí)把建筑物熱負(fù)荷簡(jiǎn)化成供暖季平均負(fù)荷,根據(jù)這個(gè)負(fù)荷給出同井回灌地下水源熱泵的抽水流量和抽回水溫差。本文中的計(jì)算含水層為細(xì)砂含水層,含水層厚度B=30m,無(wú)越流,水平、豎直滲透系數(shù)分別為7.3×10-4,7.3×10-5m/s,滲透系數(shù)比(水平/豎直)為10,熱彌散率為α=1m。含水層頂、底板巖土層分別為黃土、黏土,等溫層距底、頂板的距離be1=be2=15m。其熱物性參數(shù)如表1所示。地下水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.60W/(m·℃),熱容量為4176kJ/(m3·℃)。水井設(shè)計(jì)參數(shù)為:抽水濾網(wǎng)距含水層底板的距離b1=1.5m,抽水濾網(wǎng)長(zhǎng)度bs1=9.0m,抽回水濾網(wǎng)間距b0=7.5m,回水濾網(wǎng)長(zhǎng)度bs2=10.5m,井半徑rw=0.1m,熱泵連續(xù)運(yùn)行120d。1控制好抽回水高差,影響了現(xiàn)有的地下水起本文所用的滲流模型忽略了溫度變化對(duì)含水層滲透系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)和密度的影響,這對(duì)于溫度變化不大的系統(tǒng),不會(huì)帶來(lái)大的誤差。當(dāng)抽水流量不變時(shí),抽回水溫差的改變不會(huì)影響抽水和回灌的壓力。因此,僅考慮負(fù)荷改變引起抽水流量的變化對(duì)抽水和回灌的影響。圖1給出了抽水和回灌降深(相對(duì)于地下水初始水頭的水頭變化,水頭降低為正值,升高為負(fù)值)隨抽水流量的關(guān)系。由圖中可以看出,抽水和回灌的降深絕對(duì)值與抽水流量成正比。當(dāng)抽水流量增大時(shí),抽水和回灌的降深絕對(duì)值均線性增加,從而增加抽水和回灌的難度,增大潛水泵的功耗。2調(diào)整熱泵負(fù)荷分三種情況討論:a)保持熱泵的抽回水溫差不變(Δth=5℃),通過(guò)改變井水流量來(lái)改變熱泵負(fù)荷;b)保持井水流量不變(Gw=50m3/h),通過(guò)改變熱泵抽回水溫差來(lái)改變熱泵負(fù)荷;c)同時(shí)改變井水流量和抽回水溫差來(lái)保持熱泵負(fù)荷不變(Gw×Δth=250m3/h·℃)。2.1按熱泵流量控制抽灌同井的抽水量圖2給出了不同抽水流量時(shí)抽水溫度的變化情況(相對(duì)于含水層初始溫度,降低為負(fù)值)。由圖中可以看出,井的出水溫度隨水流量的變化而劇烈變化。當(dāng)抽水流量增大時(shí),井的出水溫度降低,抽水流量從15m3/h變化到100m3/h,熱泵運(yùn)行120d水井的出水溫降從1.1℃增大到5.7℃,對(duì)于地下水溫度較低的地區(qū)可能導(dǎo)致水井的熱貫通失效。因此,對(duì)于一定的含水層,即使在抽水和回灌壓力許可的范圍內(nèi),單口井的抽水流量亦應(yīng)有一定的選擇與限制。在同一地質(zhì)條件下,抽水流量大的井比抽水流量小的井熱貫通可能性要大。因此,在實(shí)際工程中如何選擇抽灌同井的抽水量對(duì)避免出現(xiàn)大的熱貫通十分重要。圖3給出了該計(jì)算條件下熱泵運(yùn)行120d時(shí)的熱影響范圍(定義為含水層和其頂、底板溫度變化為-0.001℃的最遠(yuǎn)徑向距離)。由圖可知,隨著熱泵流量的增大,熱影響范圍也隨之增大。尤其在抽水流量較小時(shí),這種變化非常顯著,當(dāng)抽水流量較大時(shí),熱影響范圍增大的量有所減小。抽水流量從15m3/h變化到100m3/h時(shí),含水層熱影響范圍從46.3m增大到88.7m,增加了42.4m。2.2按抽回水高差變化情況計(jì)算圖4給出了不同抽回水溫差時(shí)抽水溫度的變化。由圖中可知,隨著抽回水溫差的增大,抽水溫度降低。而抽水溫度降低的幅度又與運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短密切相關(guān)。從熱泵運(yùn)行120d時(shí)井的出水溫度變化可以看出,抽水溫度的變化與抽回水溫差基本呈線性關(guān)系。在本計(jì)算條件下,熱泵運(yùn)行120d時(shí)抽回水溫差每增加1℃,抽水溫度降低0.72℃,變化速率為0.72℃/℃,而且變化速率隨著供暖期的延長(zhǎng)而增大。圖5給出了該計(jì)算條件下熱泵運(yùn)行120d的熱影響范圍。由圖中可以看出,雖然抽回水溫差不同,但熱影響范圍基本相同。也即是說(shuō)熱泵負(fù)荷增大時(shí),若靠提高抽回水溫差來(lái)滿足負(fù)荷要求,那么含水層和其頂、底板巖土層的取熱范圍基本不會(huì)變化,而在熱影響范圍內(nèi)含水層和頂、底板巖土層的溫度會(huì)隨負(fù)荷的增加而線性降低。當(dāng)負(fù)荷大到一定程度時(shí),通過(guò)改變抽回水溫差來(lái)滿足負(fù)荷的要求就會(huì)難以實(shí)施。2.3抽回水高差對(duì)熱泵熱影響的影響負(fù)荷相同時(shí)熱泵從低位熱源中的取熱量相同,即GwΔth為常數(shù),但可以有不同的抽水流量和抽回水溫差。圖6給出了GwΔth=250m3/h·℃時(shí),熱泵運(yùn)行120d抽水溫度變化與抽回水溫差的關(guān)系。由圖中可以看出,在相同的熱泵負(fù)荷條件下,熱泵抽水溫度隨著抽回水溫差的增大而降低,當(dāng)抽回水溫差從3℃變化到8℃,也即抽水流量由83.33m3/h變化到32.25m3/h時(shí),抽水溫降從3.0℃增加到4.1℃,增加了38%。負(fù)荷相同時(shí),抽回水溫差增大,抽水流量減小。抽回水溫差的增大會(huì)使井水水溫下降變快;而抽水流量的減小又會(huì)使井水水溫下降變慢;但二者的綜合作用結(jié)果是使井水水溫下降變快。也即是抽回水溫差比抽水流量對(duì)抽水溫度的影響更大。因此,對(duì)于熱貫通嚴(yán)重的含水層中的同井回灌地下水源熱泵,在抽水和回灌經(jīng)濟(jì)的條件下應(yīng)采用小抽回水溫差和大抽水流量。當(dāng)然這會(huì)增加抽水和回灌的難度,加大水泵的能耗。合理的抽回水溫差的確定應(yīng)考慮到含水層允許的溫降,抽水溫度變化對(duì)熱泵效率的影響和抽水、輸送、回灌的水泵功耗。圖7給出了相同負(fù)荷熱泵運(yùn)行120d的熱影響范圍隨抽回水溫差的變化情況。由圖中可以看出,隨著抽回水溫差的減小、抽水流量的增大,熱影響范圍隨之增大。由于熱影響范圍的增大,使得熱影響范圍的最遠(yuǎn)端在回水濾網(wǎng)的上端平面上,負(fù)荷相同時(shí),可以起到減小抽水溫降的作用。也就是說(shuō)抽回水采用小溫差、大流量有利于避免出現(xiàn)大的熱貫通,但也應(yīng)注意到此時(shí)會(huì)引起抽水和回灌降深的絕對(duì)值加大,增加抽水和回灌的難度。因此應(yīng)綜合考慮,合理確定抽回水溫差。從圖3,5,7的比較可以看出,抽水流量是影響含水層熱影響范圍的主要因素。3抽回水高差和大集水水調(diào)濕3.1抽水和回灌降深的絕對(duì)值隨著抽水流量的增加而線性增加,從而增加抽水和回灌的難度,也增大了潛水泵的功耗。3.2熱泵負(fù)荷增大時(shí),若增加井水流量,抽水溫降會(huì)降低,但熱影響范圍會(huì)隨之增大,從而起到減小抽水溫降的作用。抽水流量是影響含水層熱影響范圍的主要因素。3.3熱泵負(fù)荷增大時(shí),若加大抽回水溫差,含水層及其頂、底板巖土層的取熱范圍基本不變,但它們的溫度會(huì)隨著負(fù)荷的增大而線性降低,從而導(dǎo)致抽水溫度顯著降低。3.4在相同負(fù)荷條件下,