地下水源熱泵系統(tǒng)布井方案分析

田良河

(河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450001)

1 引言

淺層地溫能開(kāi)發(fā)主要有兩種方式，即地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)(楊如輝等，2011)。地下水源熱泵系統(tǒng)是通過(guò)抽取地下水、利用地下水全年溫度恒定的特點(diǎn)，通過(guò)熱泵進(jìn)行能量交換(衛(wèi)萬(wàn)順等，2009)。我國(guó)大部分熱泵工程中，地下水源熱泵系統(tǒng)工程仍然占多數(shù)，其中，河南利用水源熱泵開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮転?8%(盧予北等，2011)。

井位的設(shè)計(jì)對(duì)于水源熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要(王旭升等，2007)，尤其是細(xì)顆粒含水層地區(qū)，為了提高回灌能力，通常的抽、灌井?dāng)?shù)比例一般為1∶2，即一抽兩灌。由于水力坡度的存在，不同的布井方案，因熱突破可能引起抽水井的溫度變幅相差很大，對(duì)地溫空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行功效產(chǎn)生影響。

本文以鄭州市兒童醫(yī)院地下水源熱泵系統(tǒng)為例，基于實(shí)際水文地質(zhì)條件和井結(jié)構(gòu)建立了三維地下水熱耦合數(shù)值模型，并運(yùn)用實(shí)際水位、水溫觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行了校正;在此基礎(chǔ)上，模擬分析了有區(qū)域流場(chǎng)存在的條件下，細(xì)顆粒含水層地區(qū)不同布井方案下地溫場(chǎng)的變化特征，提出了最佳布井方案。

2 工程概況

鄭州市兒童醫(yī)院地溫空調(diào)工程于2000年11月投入運(yùn)行，至今已順利運(yùn)行10余年時(shí)間。

該工程地貌上位于黃河沖積平原區(qū)，區(qū)內(nèi)地下水流向自東北向西南，水力坡度約5‰，地下水埋深約15m，溫度一般22℃左右。

工程應(yīng)用建筑面積為18000m2，設(shè)計(jì)抽、灌井?dāng)?shù)為6口，井的位置分布見(jiàn)圖1(a)。其中抽水井設(shè)計(jì)井深98m，回灌井設(shè)計(jì)井深70m。運(yùn)行模式為兩抽、四灌。其中，3#和 6#為抽水井，1#、2#、4#和 5#號(hào)為回灌井，井徑均為0.4m。

該工程夏季運(yùn)行時(shí)間一般自5月下旬至9月下旬，全天運(yùn)行;冬季運(yùn)行時(shí)間一般從11月中旬到次年的2月中旬，全天運(yùn)行。設(shè)計(jì)單井最大抽灌水量約為2400m3/d。定溫回灌，設(shè)計(jì)冬季回灌水溫度約為17℃，夏季回灌水溫度約為31℃。

3 模型建立

研究區(qū)淺層地下水的靜水位埋深在9m左右，因此參照相應(yīng)鉆孔資料將地面以下9～100m的巖層概化為6層，其中，主要的取、注水含水層為3層，自上而下依次為粉砂層、粉砂層和細(xì)砂層，相應(yīng)厚度分別為1～3m、5.1m和8.9m;相鄰含水層之間均為粉土和粉質(zhì)粘土層。根據(jù)鄭州市淺層地下水流場(chǎng)，兒童醫(yī)院附近的地下水由東北向西南流動(dòng)，方向?yàn)楸逼珫|45°，水力坡度約為5‰。鑒于地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特征及實(shí)際含水層結(jié)構(gòu)，將研究區(qū)概化為水平結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)、各向異性三維非穩(wěn)定流似承壓含水層流動(dòng)系統(tǒng)，采用三維有限差分模擬軟件HSTaD2.0進(jìn)行模擬。通過(guò)靈敏度分析，平面上的模擬范圍定為1000m×1000m。網(wǎng)格剖分采取不等距離散化，靠近井群區(qū)域加密，向外逐漸變疏。平面上最小網(wǎng)格間距為5m，最大為50m;垂向上最小網(wǎng)格間距為lm，最大為10m。X、Y方向上均離散為67個(gè)節(jié)點(diǎn)，垂向上總節(jié)點(diǎn)數(shù)為24個(gè)。整個(gè)研究區(qū)共剖分成107736個(gè)節(jié)點(diǎn)，100188個(gè)單元，網(wǎng)格剖分情況見(jiàn)圖1(b)。

圖1 抽、灌井位置分布(a)與模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分圖(b)Fig.1 Locations of pumping and injection wells(a)and a mesh for the simulation area(b)

模擬區(qū)域的4個(gè)側(cè)面概化為定水頭、定溫度邊界。區(qū)內(nèi)地表入滲條件較差，底部為粉質(zhì)粘土層，故將頂?shù)撞扛呕癁楦羲?、定溫度邊界。初始水頭按照靜水壓力分布給出，頂部為0m，底部為91m。邊界溫度與初始溫度均參照當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁厝≈担?5℃。

結(jié)合實(shí)際觀測(cè)資料(圖2)，將模擬期定為2000年11月10日至2008年11月10日。其中每年11月到次年11月又分為4個(gè)應(yīng)力期，分別為供暖期、停運(yùn)期、制冷期和停運(yùn)期，共有32個(gè)應(yīng)力期。

4 模型校正

圖2 3號(hào)井地下水位及水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Measurement data of groundwater level and temperature at the Well 3

從實(shí)測(cè)資料分析，夏季制冷期水源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷較輕，11月初開(kāi)始供熱時(shí)系統(tǒng)高負(fù)荷工作，在供熱的末期(1月中旬到2月上旬)系統(tǒng)負(fù)荷又逐漸減輕。首先通過(guò)供暖期的水位埋深擬合來(lái)識(shí)別研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，再通過(guò)制冷期的水位埋深擬合確定該時(shí)期的實(shí)際抽灌量，最后利用溫度擬合確定供暖期和制冷期6口井的工作狀態(tài)。擬合結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 3號(hào)井水位埋深和溫度擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of groundwater level and temperature for the Well 3

通過(guò)3號(hào)井的水位埋深擬合和溫度擬合，最終確定的各參數(shù)分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)和熱物理參數(shù)如表1所示。其中熱物理參數(shù)的取值參考前人以及鄭州市某地土樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。地下水的相關(guān)參數(shù)按20℃左右的值選取:比熱容為4182.0J/kg·℃，熱導(dǎo)率為0.59W/m·℃，熱膨脹系數(shù)為2.0×10－4℃，粘滯系數(shù)為0.001Pa·s。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)如下:冬季供暖期，6口井同時(shí)工作，3#、6#井抽水量均為90m3/h，1#、2#、4#、5#井回灌量均為 45m3/h;夏季制冷期，僅2#、3#井工作，抽、灌量約為30m3/h。溫度擬合效果較好，其中誤差小于5%的占43.5%，誤差介于5%到10%的占46.4%。最大誤差為16.3%。

5 布井方案分析

5.1 布井原則

按黃河沖積平原區(qū)較為普遍的1抽2灌方式布井。

5.2 井間距分析

增加抽灌井的間距可以有效的降低發(fā)生熱突破的風(fēng)險(xiǎn)，但又會(huì)增加回灌能力不足的風(fēng)險(xiǎn)(王旭升等，2007)。

鄭州市兒童醫(yī)院所處的水文地質(zhì)單元為黃河沖積平原，因此選取該水文地質(zhì)單元的典型剖面，構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模擬模型，利用HST3D軟件模擬確定該水文地質(zhì)單元上1抽2灌系統(tǒng)的最佳井間距。

黃河沖積平原的巖性一般為粉砂到粗砂、局部夾礫石，含水層主要由多層粉砂、細(xì)砂層構(gòu)成，含水層之間由粉土及粉質(zhì)粘土隔開(kāi)。單井出水量一般為1000～3000m3/d。該水文地質(zhì)單元內(nèi)的典型鉆孔結(jié)構(gòu)如表2所示。

根據(jù)上述地層結(jié)構(gòu)，構(gòu)建1抽2灌系統(tǒng)的模擬模型。參照單井出水量，模擬中抽灌量取2000m3/d，采用等溫差回灌，提取溫差夏季為7℃，冬季為5℃。模擬周期為3年。各巖性的水文地質(zhì)參數(shù)及熱物理參數(shù)取值參照經(jīng)驗(yàn)值。分別模擬了井間距為20m，40m，60m，80m，100m，120m 共6種情況。模擬結(jié)果如圖4所示。

表1 各參數(shù)分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)表Table 1 Hydrogeological parameters for different zones

由圖中可以看出，當(dāng)井間距為60m時(shí)，整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)抽水井的溫度變化很小，已趨于平緩。圖5給出了整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)抽水井溫度與初始溫度的最大溫差，從圖中可以看出，當(dāng)抽水井與回灌井間的距離為50m時(shí)，兩者之間的最大溫差不超過(guò)1℃，對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效影響較小，因此，對(duì)于給定的抽灌量和提取溫差條件下，黃河沖積平原上1抽2灌系統(tǒng)的最佳井間距為50m。

表2 典型水文地質(zhì)剖面巖性分層Table 2 Lithological layers of typical hydrogeological profiles

圖4 抽水井溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of temperature with time of pumping wells

5.3 布井方案分析

對(duì)多井抽灌的最基本單元，一抽兩灌的模式進(jìn)行分析。對(duì)一抽兩灌模式的五種布井方案進(jìn)行模擬，分析不同情況下抽水井溫度變化情況，相鄰的兩口井之間距離均為50m。這里不考慮天然地下水水力坡度由回灌井指向抽水井的情形，因?yàn)檫@種情況下加速了開(kāi)采區(qū)附近地下水的流速，熱突破時(shí)間加快，不利于實(shí)際工程應(yīng)用。

圖5 抽水井溫度與初始溫度的最大溫差Fig.5 Largest difference between temperature in the pumping well and initial temperature

方案(a):直線形布井，天然地下水力坡度方向垂直于抽灌井連線，兩口回灌井位于抽水井的同一側(cè)。

方案(b):直線形布井，天然地下水力坡度方向垂直于抽灌井連線，兩口回灌井分別位于抽水井的兩側(cè)。

方案(c):直線形布井，天然地下水力坡度方向平行于抽灌井連線，兩口回灌井位于抽水井的同一側(cè)，水力坡度方向由抽水井指向回灌井。

方案(d):折線形布井，天然水力坡度方向由抽水井指向回灌井，兩口回灌井位于抽水井一邊。

方案(e):折線形布井，天然水力坡度方向由抽水井指向其中一口回灌井，兩口回灌井位于抽水井兩邊。

圖6是上述5種布井方案下抽水井溫度隨時(shí)間的變化情況，圖7給出了第二年制冷期末(675天左右)，含水層中(Z=－29m)的橫剖面溫度場(chǎng)分布。

圖6 不同布井方案抽水井溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of pumping well temperature with time in different well deployment schemes

圖7 五種方案的徑向地溫場(chǎng)分布Fig.7 Radial distribution of groundwater temperature of 5 schemes

可以看出，從控制“熱突破”角度來(lái)說(shuō)，方案(c)的布井格局最為合適。在地下水天然流動(dòng)情況下，含水層中開(kāi)采區(qū)附近的流場(chǎng)是地下水的天然流場(chǎng)和人為抽灌所產(chǎn)生的兩個(gè)水動(dòng)力場(chǎng)的疊加場(chǎng)。因此，地下水的天然流向和流速的變化都影響到疊加動(dòng)力場(chǎng)的變化，進(jìn)而影響開(kāi)采區(qū)附近地溫場(chǎng)的演化。地下水天然水力坡度方向由抽水井指向回灌井時(shí)，能夠最有效地抵消抽灌井連線方向與周?chē)纬傻娜斯ち鲌?chǎng)，人工流場(chǎng)由回灌井指向抽水井，因此，在一定程度上減緩了等溫面向抽水井方向的擴(kuò)散速度。方案(b)和方案(e)效果最差，主要是因?yàn)榈叵滤飨虼怪庇诔楣嗑B線方向時(shí)，水動(dòng)力場(chǎng)疊加效果不明顯，與不存在天然地下水流場(chǎng)的情況相比，只有在停運(yùn)期抽水井的溫度恢復(fù)較快。方案(b)兩口回灌井分別位于抽水井的兩側(cè)，溫度場(chǎng)疊加效果明顯，因此抽水井溫度變化最為劇烈。

從場(chǎng)地利用角度來(lái)說(shuō)，直線形布井需要的場(chǎng)地范圍較大，受到一定場(chǎng)地因素的限制，而折線型相對(duì)比較緊湊，即方案(d)也比較理想。

由于黃河沖積平原區(qū)砂層在水平方向上厚度一般變化不大，實(shí)際工程應(yīng)用中制約布井方案的主要因素往往是場(chǎng)地問(wèn)題，因此，推薦實(shí)際工程抽、灌井布局采用方案(d)。

6 結(jié)論

(1)一抽兩灌模式下，選擇直線型布井，抽灌井連線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，抽水井溫度受回灌井影響最小。

(2)直線型布井所占用場(chǎng)地較大，當(dāng)場(chǎng)地因素占主導(dǎo)地位時(shí)，可考慮采用折線形布井方式，天然水力坡度方向由抽水井指向回灌井，兩口回灌井位于抽水井同一側(cè)。

(3)在天然水力坡度和熱泵系統(tǒng)的共同作用下，徑向地溫場(chǎng)分布在水力坡度指向上的范圍要明顯大于垂直水力坡度方向，在同一地區(qū)的多工程建設(shè)中需要注意這一問(wèn)題，避免多工程之間的相互影響。

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