同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)熱貫通的影響因素分析

近年來，中國科學(xué)家提出了一種自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新地下水熱泵。與傳統(tǒng)的異井反灌液熱泵相比，該冷熱泵被稱為同井反灌液熱泵。該技術(shù)自2001年在北京開展，在應(yīng)用速度非常快。2003年底，已完成160多個(gè)項(xiàng)目，總面積超過200萬米。如圖1所示，如圖1所示，在熱井中加入一系列管道，從管道中的水進(jìn)入污水處理廠的外管，并通過回水罐中的水灌溉至含有水的層，使水層在其上進(jìn)行交換。同時(shí)，從井中抽出的地下水通過水泵裝置在潛入罐中的外部管道中加壓，并通過管道頂部的內(nèi)管道進(jìn)入換熱器。同時(shí)，地下水通過抽水泵通過井網(wǎng)和回水泵之間的間隙進(jìn)行，這樣集水區(qū)的地下水才能直接進(jìn)入抽水區(qū)，導(dǎo)致大規(guī)模的熱耦合。在同一熱井中，同時(shí)提取和回水，因此上述技術(shù)也被稱為單井吸收液位技術(shù)。同時(shí)，同水層地下水源的進(jìn)水口為熱泵，當(dāng)流入含水層的深度同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，使其節(jié)約。初始投資僅為傳統(tǒng)熱系統(tǒng)的1.3.1.4，但比異井反灌地下水源的熱泵更容易連接。作者分析了含水層厚度、滲透系數(shù)比和不同含水層對(duì)同井回灌地下水源熱泵的影響。1介質(zhì)含水層儲(chǔ)水系數(shù)k與同井回灌地下水源熱泵運(yùn)行引起地下水滲流和換熱有關(guān)的含水層和弱透水層參數(shù)包括:含水層厚度B,水平滲透系數(shù)Kr,滲透系數(shù)比(水平/豎直)rK=Kr/z,單位儲(chǔ)水系數(shù)S0,含水層容積比熱容Ca,含水層有K效導(dǎo)熱系數(shù)kA,含水層滯止導(dǎo)熱系數(shù)ka,頂、底板巖土層容積比熱容Ce,頂、底板巖土層導(dǎo)熱系數(shù)ke,地下水容積比熱容Cw,地下水導(dǎo)熱系數(shù)kw等.不同介質(zhì)含水層的參數(shù)值各不一樣;同一介質(zhì)含水層不同地方的參數(shù)值也有很大差別;還有些參數(shù)與熱泵運(yùn)行工況有關(guān).因此,為分析簡便,需要給出這些參數(shù)的合理數(shù)學(xué)模型或典型值.1.1含水層有效導(dǎo)熱系數(shù)含水層容積比熱容的計(jì)算式為式中:Cs為固體骨架的容積比熱容,kJ/(m3·℃);n為含水層的孔隙率,%.含水層有效導(dǎo)熱系數(shù)由兩部分組成,即式中:ka為含水層的滯止導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);α為熱彌散長度,m;q為地下水Darcy速度矢量,m/s.含水層的滯止導(dǎo)熱系數(shù)是指地下水不流動(dòng)時(shí)的含水層導(dǎo)熱系數(shù),其計(jì)算式為式中:kw為水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);ks為固體骨架的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃).1.2含水層儲(chǔ)水系數(shù)和熱物性參數(shù)為了說明問題,僅取幾種典型的含水層和弱透水層作為算例.文獻(xiàn)中給出的多為參數(shù)的范圍,在使用時(shí)取它們的平均值作為典型值.由于同一類含水層的參數(shù)變化范圍很大,平均值計(jì)算的算例并不能代表該含水層,而只能代表該組合參數(shù),但為了敘述方便,仍用含水層的類型代替該組合參數(shù).含水層參數(shù)的典型值見表1.各向異性含水層的滲透系數(shù)比rK的范圍通常為2～100;承壓含水層儲(chǔ)水系數(shù)S=S0B的常見值為10-4～10-6m-1數(shù)量級(jí),文獻(xiàn)指出S=10-6×B,因此,取含水層單位儲(chǔ)水系數(shù)S0=10-6m-1;熱彌散長度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;地下水的熱物性參數(shù)采用純水熱物性參數(shù),地下水的導(dǎo)熱系數(shù)kw=0.60W/(m·℃);容積比熱容Cw=4176kJ/(m3·℃).在以下討論中除特殊說明外,計(jì)算參數(shù)為:細(xì)沙含水層,含水層厚度B=30m,滲透系數(shù)比rK=10,無越流;抽水濾網(wǎng)距含水層底板的距離b1=1.5m,抽水濾網(wǎng)長度bs1=9.0m;抽回水濾網(wǎng)間隔b0=7.5m,回水濾網(wǎng)長度bs2=10.5m;井半徑rw=0.1m,抽水流量Qw=50m3/h;制熱工況,抽回水溫差Δth=5℃,熱泵連續(xù)運(yùn)行120d.2設(shè)計(jì)井結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)快速事件壓降值的影響當(dāng)含水層厚度發(fā)生變化時(shí),井結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化分兩種情況:井的相對(duì)參數(shù)θi(θ1=b1/B,θs,=bs1/,Bθ0=b0/B,θs2=bs2/B,02=b2/B)保持不變;bs1、b0、bs2和b2保持不變.表2給出了3個(gè)模擬井的計(jì)算條件.模擬井2與模擬井1具有相同的θi;模擬井3與模擬井1具有相同的bs1、b0、bs2和b2,這樣能減少鉆井成本.圖2(a)為模擬井1～3抽、回口平均降深(相對(duì)于含水層初始水位的水位降低值,降低為正,升高為負(fù))絕對(duì)值的大小關(guān)系.由圖2(a)可以看出,模擬井2抽、回水口平均降深絕對(duì)值均較模擬井1小,而且減小的百分比均為21%,這說明在相同的管路阻力和井損條件下,模擬井2井水循環(huán)泵用于抽水和回灌的揚(yáng)程會(huì)較模擬井1低1/5左右.模擬井3抽、回水口平均降深與模擬井1相差不多,模擬井3抽水口平均降深較模擬井1小3%,而回水口平均降深絕對(duì)值較模擬井1大2%.因此,對(duì)于不同的含水層厚度,合理的設(shè)計(jì)水井參數(shù),可以明顯地改善抽水和回灌的壓力.不同的水井設(shè)計(jì),改善的效果不同,甚至?xí)霈F(xiàn)相反的結(jié)果.圖2(b)給出了模擬井1～3熱泵運(yùn)行120d后抽水平均溫度降低值.由圖2(b)可以看出,在相同取熱量條件下,含水層越厚,抽水平均溫度的降低值越小.熱泵運(yùn)行120d時(shí),模擬井2的抽水平均溫度變化較模擬井1的抽水平均溫度變化小47%,模擬井3的抽水平均溫度變化較模擬井1的抽水平均溫度變化小11%.模擬井3熱泵運(yùn)行120d時(shí)抽水平均溫度較模擬井2低1.3℃,即抽水平均溫度降增大68%.因此,井結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)抽水平均溫度產(chǎn)生較大影響.含水層厚度的增大可能減小抽水、回灌壓力,提高抽水平均溫度.但必須合理地設(shè)計(jì)水井結(jié)構(gòu)參數(shù),才能把這種改善效果發(fā)揮出來,否則會(huì)適得其反.3同井回灌熱泵運(yùn)行管理系統(tǒng)的熱影響含水層滲透系數(shù)是一個(gè)極其重要的水文地質(zhì)參數(shù),它表征巖層的透水性能,又稱水力傳導(dǎo)系數(shù).含水層滲透系數(shù)呈現(xiàn)各向異性是較常見的.含水層滲透系數(shù)比為含水層水平滲透系數(shù)與含水層豎直滲透系數(shù)之比,反映了含水層滲透系數(shù)各向異性的程度.圖3為抽、回水口平均降深隨滲透系數(shù)比的變化曲線.由圖3可以看出:抽、回水口平均降深與滲透系數(shù)比的對(duì)數(shù)基本成線性關(guān)系;隨著滲透系數(shù)比的增加,抽、回水口平均降深的絕對(duì)值均增加,但增加緩慢,滲透系數(shù)比從10增加到50,抽、回水口平均降深絕對(duì)值僅增加了15%.圖4為同井回灌地下水源熱泵抽水平均溫度變化(相對(duì)于含水層初始溫度,降低為負(fù)值)與滲透系數(shù)比的關(guān)系曲線.由圖4可知,取熱量相同時(shí),隨著滲透系數(shù)比的減小,井的抽水平均溫度降低值加大,而且隨著滲透系數(shù)比的減小,其溫度降低速率加快.如滲透系數(shù)比為1時(shí),熱泵運(yùn)行120d抽水平均溫度下降了14.6℃;在滲透系數(shù)比為2時(shí),熱泵運(yùn)行120d抽水平均溫度下降了9.6℃,對(duì)于一般的含水層來說,這是不允許的,很容易出現(xiàn)熱貫通,甚至?xí)?dǎo)致地下水的凍結(jié),而使工程失敗.例如,地下水初始溫度在15℃左右的地區(qū),當(dāng)rK=1,熱泵運(yùn)行30d左右時(shí),抽水平均溫度降低6℃,如果仍保持5℃的換熱溫差,回水溫度就只有4℃,這樣地下水就有被凍結(jié)的危險(xiǎn);此外,抽水溫度降低過大還會(huì)對(duì)熱泵的效率產(chǎn)生很大影響.而當(dāng)滲透系數(shù)比較大時(shí),經(jīng)過一個(gè)采暖季的運(yùn)行,抽水平均溫度降低很小,如rK=30,熱泵運(yùn)行120d抽水溫度降低了1.8℃,而rK=50時(shí),抽水溫度僅降低了1.3℃,這對(duì)地下水源熱泵效率的影響不大.從換熱的角度來看,這樣的含水層很適合同井回灌地下水源熱泵.從模擬結(jié)果看,rK=5時(shí),熱泵運(yùn)行120d后抽水平均溫度下降了5.5℃,對(duì)于地下水溫度較高的地區(qū),這樣的熱貫通程度是允許的;rK=10時(shí),熱泵運(yùn)行120d后抽水平均溫度下降了3.6℃,這說明含水層初始溫度在12℃以上的地區(qū),均可采用同井回灌熱泵技術(shù).圖5為不同滲透系數(shù)比時(shí)熱泵運(yùn)行120d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5可知,隨著滲透系數(shù)比的增加,含水層中熱影響范圍和受到影響的含水層土壤體積均加大,rK=50時(shí),熱影響范圍為90m,而rK=1時(shí),熱影響范圍僅為47m.正是由于含水層中熱影響范圍的加大,使得在相同的取熱量情況下,靠近井軸處的含水層溫度不致降得過低.含水層頂板巖土軸向方向熱影響范圍差不多,而含水層底板巖土層由于滲透系數(shù)比小時(shí)抽水平均溫度較低,換熱溫差相應(yīng)增大,使底板巖土層的軸向熱影響范圍加大.這使得在不同滲透系數(shù)比時(shí)熱影響范圍曲線在含水層底板巖土層處互相交叉,由圖5可知,這些交點(diǎn)很接近,坐標(biāo)基本集中在24～28m和9～10m范圍內(nèi).從熱貫通的角度來說,滲透系數(shù)比是決定同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)工程成敗的關(guān)鍵.滲透系數(shù)比過小會(huì)顯著加快系統(tǒng)的熱貫通,大滲透系數(shù)比的含水層對(duì)同井回灌地下水源熱泵的換熱是合適的.從初步模擬的結(jié)果看,滲透系數(shù)比小于2時(shí),一般不可采用同井回灌地下水源熱泵;滲透系數(shù)比大于30時(shí),我國任何地區(qū)均可采用同井回灌地下水源熱泵;滲透系數(shù)比在5和10之間時(shí),在地下水溫較高的地區(qū)可采用同井回灌地下水源熱泵.4同井回灌地下水源熱泵運(yùn)行情況不同含水層的滲透系數(shù)、滯止導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容不同,在一定程度上影響抽水、回灌的壓力和井的出水溫度.在這里認(rèn)為含水層滲透系數(shù)比相同,而水平、豎直滲透系數(shù)不同.圖6為幾種含水層中同井回灌地下水源熱泵抽、回水口平均降深隨水平滲透系數(shù)的變化曲線.由圖6可看出:降深絕對(duì)值隨著水平滲透系數(shù)的增加而減小,且變化劇烈;抽、回水口平均降深絕對(duì)值基本與水平滲透系數(shù)成雙對(duì)數(shù)線性分布,即s∞(1/Kr)α;水平滲透系數(shù)較小時(shí),降深對(duì)水平滲透系數(shù)的變化更為敏感.對(duì)沙巖含水層,抽、回水口平均降深的絕對(duì)值分別為1068.96kPa和931.67kPa,對(duì)抽水和回灌很困難.滲透系數(shù)大小是抽水和回灌難易程度的決定因素.對(duì)滲透性能不好的含水層中的回水井,更應(yīng)注意回水對(duì)含水層滲透性能的削弱,避免井的堵塞.堵塞將顯著增加系統(tǒng)的抽水、回灌難度,加大井水循環(huán)泵的功耗,甚至使水井失效.圖7為不同含水層中同井回灌地下水源熱泵運(yùn)行120d時(shí)井的平均出水溫度變化.由圖可知,不同含水層中的同井回灌地下水源熱泵運(yùn)行120d時(shí)井的出水溫度變化不大,出水溫度降集中在3.2～3.8℃范圍內(nèi);且同井回灌地下水源熱泵在細(xì)沙和沙丘沙含水層中運(yùn)行時(shí)井的出水溫度相同.這是因?yàn)?雖然細(xì)沙和沙丘沙含水層的滲透系數(shù)不同,但含水層容積比熱容和滯止導(dǎo)熱系數(shù)相同;對(duì)于無越流的含水層,抽灌同井運(yùn)行引起的地下水速度場與滲透系數(shù)比有關(guān),與滲透系數(shù)的絕對(duì)大小無關(guān),因此,無越流時(shí)相同厚度的含水層只要滲透系數(shù)比相同,則地下水滲流場相同,如果含水層容積比熱容和滯止導(dǎo)熱系數(shù)相同,則含水層溫度場相同,抽水平均溫度相同.水平滲透系數(shù)的大小只影響抽水和回灌的難易,對(duì)井的出水溫度影響較小.由圖7還可看出,抽水平均溫度降隨滯止導(dǎo)熱系數(shù)變化的規(guī)律性不強(qiáng),而隨著含水層的容積比熱容增加,出水溫度降減小(圖中含水層即按含水層容積比熱容由小到大的順序排列).5抽、回集系數(shù)比的確定(1)對(duì)于合理的水井設(shè)計(jì),含水層厚度的增大可以減小抽水、回灌壓力,顯著提高抽水平均溫度.但水井設(shè)計(jì)不同,改善的效果也不同,甚至?xí)霈F(xiàn)相反的結(jié)果.因此,從某種意義上講,水井的設(shè)計(jì)比含水層的厚度變化更重要.(2)抽、回水口的平均降深與滲透系數(shù)比的對(duì)數(shù)基本成線性關(guān)系;隨著滲透系數(shù)比的增加,抽、回水口平均降深的絕對(duì)值亦增加,但