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

(1.武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051;2.中国地质大学数理学院,湖北武汉 430074)

地下水地源热泵系统地下能量变化数值模拟研究

刘红卫1,徐贵来1,李 星2

(1.武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051;2.中国地质大学数理学院,湖北武汉 430074)

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

0 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。

1 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[1]。

图1 热源井平面布置图Fig.1 Layout of the heat source wells

图2 某项目地质剖面图Fig.2 Geological profile of a project

1.1 某项目热源井布置及地质剖面

某地下水地源热泵项目❶徐贵来、刘红卫,湖北省地勘局AB栋高层住宅地温中央空调科研试点项目总结报告,2008。共有6口热源井,两抽四灌,地层结构上部为填土及粘性土,中部为砂层和卵砾石,底部为泥岩,详见图1、图2。

1.2 热演化数学模型

相应的地温场热演化数学模型为:

式中:T=T(x,y,t)为温度(℃);t为时间(s);k为热导率(W/m·℃);ρ为密度(kg/m3),c为比热(J/kg·℃),为流体速度(m/s);F为热源(W/m3);T0(x,z,t)为边界温度(℃),φ(x,z)为初始时刻的温度。

该模型适用于非均匀介质各向同性的热传递过程[2]。

1.3 模拟边界条件及参数

在有限元模拟过程中,假定开始时刻各点温度都相等,例如都等于17℃。随着时间的延续,边界温度仍然保持17℃,但在抽水井以及注水井处,有热量流入或流出,原有地温场的平衡被打破,地温场中各点温度随时间的延续而发生变化。

因为地下介质在不同地层的性质不同,所以其物理参数也有所不同,该项目模拟取平均热导率在1.729(W/m·℃)左右,平均密度近似为1 800 kg/m3,平均比热则近似为1 400(J/kg·℃)。模拟时间1年,时间间隔为5 d,计算网格点处的温度,然后以每月第一天的温度数据绘制出温度等值线图。

1.4 二维水平平面模型和二维垂直剖面模型

首先我们根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型和二维垂直剖面模型。

对水平平面模型采取不等间距划分,共取39×25=975个节点、剖分成38×2×24=1 824个小三角单元。在抽水井、回灌井附近温度变化相对比较剧烈段,剖分比较密,而在区域边缘温度变化比较平缓,划分比较疏。

对垂直剖面模型同样采取不等间距划分,共计20×29=580个节点,28×2×19=1 064个三角单元。靠近取水井或回灌井附近划分得密一些,其它地方划分得疏一些;上部的杂填土层、素填土层、粉质粘土层和最下部的泥岩层均各划为一层,粉砂层划分为5层,细砂层划分为4层,中粗砂层划分为4层,卵砾石层划分为2层,共19层。

2 地温场热扩散数值模拟

2.1 水平平面地温场模拟

根据取水井、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3。

图3 二维水平平面热扩散温度变化等值线图Fig.3 Contourmap of ther mal diffusion temperature in the two-dimensional horizontal plane

从二维水平平面热扩散温度变化等值线图分析,制冷运行期间,地下温度场在第三个月时就已经产生了热贯通,抽水井周围平均温度升高2℃左右,回灌井周围平均温度升高超过7℃;供暖运行期间呈反向发展,整体平均地温持续走低;中间过渡季节,地温逐渐在地下空间内运移扩散平衡;至一个年度周期末,回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,平均地温高于初始地温,出现热堆积现象。

2.2 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4。

图4 二维垂直剖面热扩散温度变化等值线图Fig.4 Contourmap of thermal diffusion temperature in the two-dimensional vertical profile

从图4中可以非常直观地看到不同深度的地层中温度变化和能量传递的过程,系统制冷运行一个月内(地上向地下排热),由于底部卵石层中地下水的快速导流,从回灌井到抽水井通道中已经发生热贯通,要早于平面平均温度演示剖面;制冷运行结束时,卵石层中温度要升高4℃左右,而粗砂层中只升高2℃左右,上部土层中地温升高仅1℃左右;底部岩层中地温升高1～2℃,但影响深度很小,约在5 m以内(分析与岩层上部为强风化带有关)。

3 地温场热扩散数值模拟结果分析研究

图5[3]是该项目实测平均地温拟合曲线,观1、观2、观3分别是抽水井处、抽水和回灌井之间、回灌井处布设的地温观测井,将不同位置地温的温升幅度、温度变化时间和趋势与上述模型模拟结果对比可以看出是一致的,说明所建模型具有现实应用意义。

从实测曲线看,“3号观测孔”在“6号回灌井”附近,在制冷运行高峰期,观测孔处地温平均值上升约6.5℃,进入供暖运行期,地下温度降幅最低时降至初始地温以下3.4℃。二维平面模拟结果夏季高峰时地下温度上升7℃,冬季时下降4℃,已十分接近实测结果。

图5 地温变化拟合曲线Fig.5 Geother mal variation fitting curve

4 结论

(1)本文建立的地温场温度扩散数学模型,能较准确地模拟地下水地源热泵系统运行期间地下能量运移情况和地温场的变化特征,为类似项目论证、为地源热泵系统设计提供参考。

(2)该模型的使用有助于预判地下能量变化情况,合理调控系统运行过程,避免地下热堆积、热贯通现象的发生,提高浅层地温能利用效率和水平。

(3)由于热的传导过程是在三维空间内进行的,模型将其简化到一维或二维空间内进行研究,由此,数值模拟结果存在一定误差,因此,建议开展三维数据模拟研究。

[1] 李星,吴冲龙,毛小平.盆地超压段非幕式突破期的地热场模型数值解法[J].地球科学——中国地质大学学报,2001,26(5):513-516.

[2] Wu Chonglong,Yang Qi,Zou Zuoduo,etc.Thermodynamics analysis and simulation of coal metamorphism in the Fushun Basin[J].China International Journal of Coal Gelogy,2000,44:149-168.

[3] 刘红卫,徐贵来,张晴,等.回归分析在地源热泵系统地温场研究中的应用[J].工程地球物理学报,2009(4):512-515.

(责任编辑:胡立智)

Study of Underground Energy Change Simulation in Groundwater Source Heat Pump System

LIU Hongwei1,XU Guilai1,LIXing2
(1.Wuhan Institute of Geological Engineering Exploration,Wuhan,Hubei430051;2.Depart ment of Mathem atics and Physics,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074)

While the ground source heat pump system runs,it pours the energy into the earth,of which the migration and proliferation process and paths are very complex that it is bound up with the condition of the rock,the flowing state of the groundwater and the running processing of the air conditioning system.Using the finite elementmethod,the authors set up a model about the temperature change of the earth,simulate the changes of the temperature on the level of the plane and the profile which reflect the feature of the energymigration and changes.It can also provide the similar project with technical support in the pre-demonstration,the engineering design,the efficient system managements and monitoring.

groundwater source heat pump system;finite element,changes of the energy;numerical simulation

P641.2

A

1671-1211(2010)04-0408-04

2010-01-28;改回日期:2010-04-21

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研究”(200760323107)资助。

刘红卫(1966-),男,高级工程师,水文地质专业,从事岩土工程、水文地质、地源热泵技术研究工作。E-mail:lhw6688@sohu.com