地下水地源热泵系统地下能量变化数

1、地下水地源热泵系统地下能量变化数值模拟研究刘红卫；徐贵来；李星武汉地质工程勘察院摘要：地下水地源热泵系统运行时将地上的能量注入地下，这个能量在地下运移扩散的过程和路径非常复杂，它与岩土体特征、地下水的流动状态、空调系统运行过程等密切相关。采用有限元分析方法建立地温变化数值模型，在平面和剖面上模拟地下温度场变化，反映出地下能量的变化和运移特征。模型优化后可以为同类项目前期论证、工程设计、系统高效运行管理和监测提供技术支撑。地源热泵系统；有限元；能量变化；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言空调系统冷热源属性和变化特征是暖通空调设计的依据，目前对应用最广泛的风冷空调在空气中换热的规律

2、已有大量研究，并确定了相应的环境气候设计指标。地源热泵系统技术的核心是利用浅层地温能，了解和掌握地下岩土层温度变化及能量变化规律，可以为设计提供依据，有助于更好地开发利用浅层地温能资源。目前，地埋管地源热泵系统地下换热规律研究开展得相对比较多，而地下水地源热泵系统地下换热和能量扩散规律研究的很少。地下水地源热泵系统运行后，地上地下产生能量循环，原地温场的平衡被打破，地温不再是设计时的恒定值，一定地下空间范围内受注入能量的影响，开始发生变化，这种变化由于流动的地下水在抽水井和回灌井之间直接、快速地运移而相对更迅速、剧烈的发生。由于地下储热、导热、扩散、影响范围大小、地温长短期变化与平衡等对地下环

3、境、系统能效高低、可持续运行等影响大，所以研究地下能量的传递、扩散的规律十分必要。本文尝试以有限元分析为基础，结合某项目情况及该地域地质特征，建立数值模型，模拟和研究当地面以上的能量（冷、热）注入后，地下空间内地温变化和能量扩散的规律。地温场数学模型建立地下水地源热泵系统地温场温度扩散规律受注入的冷热量大小、地层（含水层）特性、地下水径流及周边温度环境条件、热源井井群结构及布置、热源井使用功能转换、系统运行过程等诸多因素影响，是一个连续的动态过程。我们将错综复杂的实际问题简化、抽象为合理的数学模型。图热源井平面布置图图某项目地质剖面图本项目受武汉市科技局科研项目“地源热泵高效换热及系统成套技术

4、研究”（）资助。高级工程师某项目热源井布置及地质剖面某地下水地源热泵项共有热源井，两抽四灌，地层结构：部为填土支粘，邵为砂甚科卵砾石，咬部为泥见图、图热演化数学模型心的地温场热演化数学模型为：羔（七等）鲁（七等）一。袅；丁，羔、，印警（）仁妒（、）式：（、，）为温懂（）；为时间（）；厶为热导牢（）；为密受（）、为比热（）：）为流体速度（）；为热源（）；（：，）为边界温度（）妒（：）为幸始时刻的温良该馍适用于均匀介喷备阳吲一阵的热传递过程二：模拟边界条件及参数住钉限兀模拟过程中定升刎点温嚏邵桐等，例受【部等于：随着时问的延续，边界温度仍然保持，但在抽水井以及注水井处，有热麦流入或流出，味有地温场

5、的平衡被打破，地温场中各点温度随时间的延续而发乍变化冈为地下介质在不同地层的性贡小同，昕以其物理参数也有昕不同，该项模拟取平均热导二笨在（）左，平均密愎近似为，“，平均比热则近似为（）。模拟时间年，时间隔为汁算网格点处的温度，然婿以每，第一天的温度数据绘制出温嚏等值线图二维水平平面模型和二维垂直剖面模型酋允我们杵据已知和假设的条件与参数，将地温场简化为二维水平平面模科二维垂剖面模型对水平平面模，趔采取小等问距划分，取个存点、剖分成个小角单兀在抽水片、同灌蚌附近温度变化对比较剧烈段，剖分比较密在【域边缘温瞍变化比较平缓，划分比较疏对垂随剖面模型同样采取小等问距划分，共汁个市点，个角尊尢靠近取水蚌

6、或灌井附近划分得密一些，它地方划分得疏一些：部的杂填臣、素填土甚、粉喷粘土层和最部的泥均各划为一怯，三粉砂怯划分为层，细砂层划分为层，中粗砂怯划分为层，卵砾彳层划分为层，共层一地温场热扩散数值模拟水平平面地温场模拟根据取水、回灌井从地下提取或输入热量的不同，模拟出二维水平平面温度场变化等值线图，见图图二维水平平面热扩散温度变化等值线图）】、【），【从二维水平平面热扩散温度变化等值线图分析，制冷运行期问，地下温度场在第三个月时就已经产生热贯通，抽水井周司平均温度升高左右，回灌件周旧平均温度升商超过：【：；供暖运行期问翟反向发眨，整体平均地温持续走低；间过渡季节，地温徐贵采刈红湖肯地融局佟，岛任芒

7、地温【】奄州研试点坝总结报旨，（逐渐在地下窄间内运移扩散平衡；至一个年度周期末，田灌井处由于冷量来不及消散，温度低于初始温度值，其它部分由于建筑物经地源热泵系统向地下排入的热量多于冷量，平均地温高仞始地温，出现热堆积现象一垂直剖面地温场模拟二维垂直剖面热扩散温度变化等值线见图地温场热扩散数值模拟结果分析研究图是该项目实测平均地温拟合【线，观、观、观分别是抽水井处、抽水和回灌井之间、灌井处布设的地温观测片，将不同位置地温的温升幅度、温眨变化时间和趋势：述模型模拟结果耐比可以看出越一致的，说明昕建模，型具有现实懂用意义从实测曲线看，“号观测孔”往“寸回灌井”附近，在制冷运行高峰期，观测孔处地温平均

8、值升约，进入供暖运行期，地下温度降幅最低时降至仞始地温以下二维平面模拟结果夏季高峰时地下温良卜升，冬季时下降，已分接近实测结果图地温变化拟合曲线：、，结论（）本文建、的地温场温发扩散数￥：模型，能较准确地模拟地下水地源热泉系统运期问地能运移情况和地温场的变化特征，为类似项论证、为地源热采系统没汁提供参学图二维垂直剖面热扩散温度变化等值线图，），几】（）该模型的使钉助于预判地下能建变化情况，合理凋控系统运行过程，避免地热堆移：、热癸通现象的发生，提高浅侩地温能利效率和水（）由于热的导过程是往吲讣【、进行的，模型将其简化到一维或二维空问进研究此，数值模拟结果仔住，误篾，【因此，建议：幔维数据模拟研究参考文献：乍！冲垃小卜盆地趟、段：舔突破朗的地热场数；地球科、中地蠡。：？：撤，（二：、，、，从【刘中叮以非常观地看到小川深霆的地甚，温度变化和能遗传递的过程，系统制冷运行一个，内（地向地下排热）于底部卵三【地水的快速导流，从回灌井到抽水井通道中已经发乍热通，要于平面平均温度演示剖面；制冷运行结束时，卵百甚，温度要升高左彳】而粗砂层只升高左：部土层中地温升高仪：左彳：咬部岩层中地温歼：，任影响深度很