地下水源热泵系统布井方案分析

田良河

(河南省地质调查院，河南郑州 450001)

1 引言

浅层地温能开发主要有两种方式，即地下水源热泵系统和地埋管地源热泵系统(杨如辉等，2011)。地下水源热泵系统是通过抽取地下水、利用地下水全年温度恒定的特点，通过热泵进行能量交换(卫万顺等，2009)。我国大部分热泵工程中，地下水源热泵系统工程仍然占多数，其中，河南利用水源热泵开发浅层地热能为98%(卢予北等，2011)。

井位的设计对于水源热泵系统来说至关重要(王旭升等，2007)，尤其是细颗粒含水层地区，为了提高回灌能力，通常的抽、灌井数比例一般为1∶2，即一抽两灌。由于水力坡度的存在，不同的布井方案，因热突破可能引起抽水井的温度变幅相差很大，对地温空调系统运行功效产生影响。

本文以郑州市儿童医院地下水源热泵系统为例，基于实际水文地质条件和井结构建立了三维地下水热耦合数值模型，并运用实际水位、水温观测资料对模型进行了校正;在此基础上，模拟分析了有区域流场存在的条件下，细颗粒含水层地区不同布井方案下地温场的变化特征，提出了最佳布井方案。

2 工程概况

郑州市儿童医院地温空调工程于2000年11月投入运行，至今已顺利运行10余年时间。

该工程地貌上位于黄河冲积平原区，区内地下水流向自东北向西南，水力坡度约5‰，地下水埋深约15m，温度一般22℃左右。

工程应用建筑面积为18000m2，设计抽、灌井数为6口，井的位置分布见图1(a)。其中抽水井设计井深98m，回灌井设计井深70m。运行模式为两抽、四灌。其中，3#和 6#为抽水井，1#、2#、4#和 5#号为回灌井，井径均为0.4m。

该工程夏季运行时间一般自5月下旬至9月下旬，全天运行;冬季运行时间一般从11月中旬到次年的2月中旬，全天运行。设计单井最大抽灌水量约为2400m3/d。定温回灌，设计冬季回灌水温度约为17℃，夏季回灌水温度约为31℃。

3 模型建立

研究区浅层地下水的静水位埋深在9m左右，因此参照相应钻孔资料将地面以下9～100m的岩层概化为6层，其中，主要的取、注水含水层为3层，自上而下依次为粉砂层、粉砂层和细砂层，相应厚度分别为1～3m、5.1m和8.9m;相邻含水层之间均为粉土和粉质粘土层。根据郑州市浅层地下水流场，儿童医院附近的地下水由东北向西南流动，方向为北偏东45°，水力坡度约为5‰。鉴于地下水源热泵系统运行特征及实际含水层结构，将研究区概化为水平结构、非均质、各向异性三维非稳定流似承压含水层流动系统，采用三维有限差分模拟软件HSTaD2.0进行模拟。通过灵敏度分析，平面上的模拟范围定为1000m×1000m。网格剖分采取不等距离散化，靠近井群区域加密，向外逐渐变疏。平面上最小网格间距为5m，最大为50m;垂向上最小网格间距为lm，最大为10m。X、Y方向上均离散为67个节点，垂向上总节点数为24个。整个研究区共剖分成107736个节点，100188个单元，网格剖分情况见图1(b)。

图1 抽、灌井位置分布(a)与模拟区域网格剖分图(b)Fig.1 Locations of pumping and injection wells(a)and a mesh for the simulation area(b)

模拟区域的4个侧面概化为定水头、定温度边界。区内地表入渗条件较差，底部为粉质粘土层，故将顶底部概化为隔水、定温度边界。初始水头按照静水压力分布给出，顶部为0m，底部为91m。边界温度与初始温度均参照当地多年平均气温取值，定为15℃。

结合实际观测资料(图2)，将模拟期定为2000年11月10日至2008年11月10日。其中每年11月到次年11月又分为4个应力期，分别为供暖期、停运期、制冷期和停运期，共有32个应力期。

4 模型校正

图2 3号井地下水位及水温观测数据Fig.2 Measurement data of groundwater level and temperature at the Well 3

从实测资料分析，夏季制冷期水源热泵系统负荷较轻，11月初开始供热时系统高负荷工作，在供热的末期(1月中旬到2月上旬)系统负荷又逐渐减轻。首先通过供暖期的水位埋深拟合来识别研究区的水文地质参数，再通过制冷期的水位埋深拟合确定该时期的实际抽灌量，最后利用温度拟合确定供暖期和制冷期6口井的工作状态。拟合结果见图3。

图3 3号井水位埋深和温度拟合结果Fig.3 Fitting results of groundwater level and temperature for the Well 3

通过3号井的水位埋深拟合和温度拟合，最终确定的各参数分区水文地质参数和热物理参数如表1所示。其中热物理参数的取值参考前人以及郑州市某地土样实测数据。地下水的相关参数按20℃左右的值选取:比热容为4182.0J/kg·℃，热导率为0.59W/m·℃，热膨胀系数为2.0×10－4℃，粘滞系数为0.001Pa·s。系统的运行状态如下:冬季供暖期，6口井同时工作，3#、6#井抽水量均为90m3/h，1#、2#、4#、5#井回灌量均为 45m3/h;夏季制冷期，仅2#、3#井工作，抽、灌量约为30m3/h。温度拟合效果较好，其中误差小于5%的占43.5%，误差介于5%到10%的占46.4%。最大误差为16.3%。

5 布井方案分析

5.1 布井原则

按黄河冲积平原区较为普遍的1抽2灌方式布井。

5.2 井间距分析

增加抽灌井的间距可以有效的降低发生热突破的风险，但又会增加回灌能力不足的风险(王旭升等，2007)。

郑州市儿童医院所处的水文地质单元为黄河冲积平原，因此选取该水文地质单元的典型剖面，构建水文地质概念模型和数学模拟模型，利用HST3D软件模拟确定该水文地质单元上1抽2灌系统的最佳井间距。

黄河冲积平原的岩性一般为粉砂到粗砂、局部夹砾石，含水层主要由多层粉砂、细砂层构成，含水层之间由粉土及粉质粘土隔开。单井出水量一般为1000～3000m3/d。该水文地质单元内的典型钻孔结构如表2所示。

根据上述地层结构，构建1抽2灌系统的模拟模型。参照单井出水量，模拟中抽灌量取2000m3/d，采用等温差回灌，提取温差夏季为7℃，冬季为5℃。模拟周期为3年。各岩性的水文地质参数及热物理参数取值参照经验值。分别模拟了井间距为20m，40m，60m，80m，100m，120m 共6种情况。模拟结果如图4所示。

表1 各参数分区水文地质参数表Table 1 Hydrogeological parameters for different zones

由图中可以看出，当井间距为60m时，整个运行周期内抽水井的温度变化很小，已趋于平缓。图5给出了整个运行周期内抽水井温度与初始温度的最大温差，从图中可以看出，当抽水井与回灌井间的距离为50m时，两者之间的最大温差不超过1℃，对热泵系统运行能效影响较小，因此，对于给定的抽灌量和提取温差条件下，黄河冲积平原上1抽2灌系统的最佳井间距为50m。

表2 典型水文地质剖面岩性分层Table 2 Lithological layers of typical hydrogeological profiles

图4 抽水井温度随时间的变化Fig.4 Variation of temperature with time of pumping wells

5.3 布井方案分析

对多井抽灌的最基本单元，一抽两灌的模式进行分析。对一抽两灌模式的五种布井方案进行模拟，分析不同情况下抽水井温度变化情况，相邻的两口井之间距离均为50m。这里不考虑天然地下水水力坡度由回灌井指向抽水井的情形，因为这种情况下加速了开采区附近地下水的流速，热突破时间加快，不利于实际工程应用。

图5 抽水井温度与初始温度的最大温差Fig.5 Largest difference between temperature in the pumping well and initial temperature

方案(a):直线形布井，天然地下水力坡度方向垂直于抽灌井连线，两口回灌井位于抽水井的同一侧。

方案(b):直线形布井，天然地下水力坡度方向垂直于抽灌井连线，两口回灌井分别位于抽水井的两侧。

方案(c):直线形布井，天然地下水力坡度方向平行于抽灌井连线，两口回灌井位于抽水井的同一侧，水力坡度方向由抽水井指向回灌井。

方案(d):折线形布井，天然水力坡度方向由抽水井指向回灌井，两口回灌井位于抽水井一边。

方案(e):折线形布井，天然水力坡度方向由抽水井指向其中一口回灌井，两口回灌井位于抽水井两边。

图6是上述5种布井方案下抽水井温度随时间的变化情况，图7给出了第二年制冷期末(675天左右)，含水层中(Z=－29m)的横剖面温度场分布。

图6 不同布井方案抽水井温度随时间的变化Fig.6 Variation of pumping well temperature with time in different well deployment schemes

图7 五种方案的径向地温场分布Fig.7 Radial distribution of groundwater temperature of 5 schemes

可以看出，从控制“热突破”角度来说，方案(c)的布井格局最为合适。在地下水天然流动情况下，含水层中开采区附近的流场是地下水的天然流场和人为抽灌所产生的两个水动力场的叠加场。因此，地下水的天然流向和流速的变化都影响到叠加动力场的变化，进而影响开采区附近地温场的演化。地下水天然水力坡度方向由抽水井指向回灌井时，能够最有效地抵消抽灌井连线方向与周围形成的人工流场，人工流场由回灌井指向抽水井，因此，在一定程度上减缓了等温面向抽水井方向的扩散速度。方案(b)和方案(e)效果最差，主要是因为地下水流向垂直于抽灌井连线方向时，水动力场叠加效果不明显，与不存在天然地下水流场的情况相比，只有在停运期抽水井的温度恢复较快。方案(b)两口回灌井分别位于抽水井的两侧，温度场叠加效果明显，因此抽水井温度变化最为剧烈。

从场地利用角度来说，直线形布井需要的场地范围较大，受到一定场地因素的限制，而折线型相对比较紧凑，即方案(d)也比较理想。

由于黄河冲积平原区砂层在水平方向上厚度一般变化不大，实际工程应用中制约布井方案的主要因素往往是场地问题，因此，推荐实际工程抽、灌井布局采用方案(d)。

6 结论

(1)一抽两灌模式下，选择直线型布井，抽灌井连线平行于天然水力坡度方向，且天然水力坡度由抽水井指向回灌井的方式效果最好，抽水井温度受回灌井影响最小。

(2)直线型布井所占用场地较大，当场地因素占主导地位时，可考虑采用折线形布井方式，天然水力坡度方向由抽水井指向回灌井，两口回灌井位于抽水井同一侧。

(3)在天然水力坡度和热泵系统的共同作用下，径向地温场分布在水力坡度指向上的范围要明显大于垂直水力坡度方向，在同一地区的多工程建设中需要注意这一问题，避免多工程之间的相互影响。

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