水源熱泵抽灌井合理井間距研究

何興強(qiáng)

(安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心，安徽合肥 230009)

水源熱泵抽灌井合理井間距研究

何興強(qiáng)

(安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心，安徽合肥 230009)

水源熱泵系統(tǒng)中抽灌井的井間距、布置方案及運(yùn)行模式等直接決定系統(tǒng)運(yùn)行的效率。以一醫(yī)院水源熱泵系統(tǒng)為例，在建立耦合數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助HST3D軟件，深入分析井間距為25 m、40 m、50 m、60 m條件下，抽灌井周邊的地下水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化特征，研究表明:井間距越大，熱貫通產(chǎn)生的時(shí)間越長(zhǎng)，程度也越輕微，類似實(shí)例的水文地質(zhì)條件及工程規(guī)模相似的地區(qū)井距50 m較為合理。

井間距;地下水水位;溫度;熱貫通

在能源消耗以及環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，地下水源熱泵以其清潔無(wú)污染且可再生的優(yōu)勢(shì)，迅速成為各國(guó)積極推廣的新型能源［1，2］。地下水作為低位熱源，通過(guò)建造抽水、回灌井(群)抽取地下水中的熱量或冷量，解決夏季制冷、冬季供暖問(wèn)題。在水頭差和溫度差的共同作用下，向含水層中注入的冷水(或熱水)不斷向四周運(yùn)移［3－5］，受抽灌井井間距、熱對(duì)流、運(yùn)行模式等因素的影響［2，3，6］，導(dǎo)致熱泵運(yùn)行期間發(fā)生熱貫通現(xiàn)象，降低地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果。其中，井間距的大小直接影響著地下水源熱泵的熱貫通程度，為此，以某一人民醫(yī)院水源熱泵系統(tǒng)為例，建立地下水流和熱量運(yùn)移耦合的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用HST3D熱運(yùn)移軟件，分析不同抽灌井間距下，抽灌井周邊地下水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化，防止熱貫通現(xiàn)象的發(fā)生，為系統(tǒng)高效運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處淮河平原區(qū)中部，屬剝蝕堆積地形。地面高程海拔為22～32 m。位于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量855.1 mm，蒸發(fā)量998.9 mm。

區(qū)域上為新生界松散層所覆蓋，下伏基巖主要是上太古界吳集組變質(zhì)巖，下第三系始新統(tǒng)界首組泥巖、砂巖。新生界松散層厚度400～600 m。

研究區(qū)主要為松散巖類孔隙含水層組，潛水主要賦存于全新統(tǒng)中段(Q42)粉細(xì)砂層中，單井出水量240～960 m3/d;水位埋深0.5～3.0 m?？紫冻袎核饕x存于下更新統(tǒng)(Q1－3)細(xì)砂、中粗砂層和上第三系(N)半膠結(jié)中砂層中;含水層分布穩(wěn)定，厚度多在40 m左右，水量豐富，單井涌水量大于1 000 m3/d，區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)分布條件比較穩(wěn)定，潛水含水層和承壓水含水層之間發(fā)育較厚且相對(duì)穩(wěn)定的粘土層，厚度平均15 m左右，兩層組之間的直接水力聯(lián)系較差，區(qū)域局部地段存在可形成越流補(bǔ)給的天窗。天然條件下，潛水與承壓水的區(qū)域逕流方向，大致由西北流向東南。大氣降水是其主要補(bǔ)給來(lái)源，在平原區(qū)，地形平坦，溝渠河道縱橫，入滲補(bǔ)給條件好，潛水水位埋深較淺，一般為0.5～3.0 m左右，潛水年變幅1～3 m。孔隙承壓水，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，在天窗發(fā)育地段，可接受潛水的越流補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)潛水的主要排泄方式有潛水蒸發(fā)、越流補(bǔ)給、側(cè)向逕流排泄、人工開(kāi)采四種方式。

2 地下水流數(shù)值模擬模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)水文地質(zhì)勘探孔所揭露的地層，研究區(qū)內(nèi)地層自上而下分為:(1)粉質(zhì)粘土層，局部夾細(xì)砂層，分布深度為0～80 m;(2)細(xì)砂層，分部深度為80～85 m;(3)粘土層，分部深度為85～102 m;(4)砂層，分部深度為102～144 m;(5)膠結(jié)、半膠結(jié)泥巖。兩套砂層是中、下更新統(tǒng)(Q1－2)的承壓水含水層組，具有統(tǒng)一的承壓水位，也是本次重點(diǎn)分析的目標(biāo)含水層。

由于水源工程分布范圍3 500 m2左右，而根據(jù)水文地質(zhì)條件，工程對(duì)地下水系統(tǒng)的影響范圍要遠(yuǎn)大于這一水源工程分布范圍，所以在模擬分析中，以水源工程分布范圍為中心，南北和東西跨度各取5 km作為模擬區(qū)范圍;根據(jù)水文地質(zhì)條件，將模擬區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性，同一參數(shù)分區(qū)內(nèi)可視為均質(zhì)，水流服從達(dá)西定律，地下水流態(tài)為二維非穩(wěn)定流，將邊界條件概化為給定水頭邊界。

2.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)概化的水文地質(zhì)概念模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型:

式中:K為含水層滲透系數(shù)(m/d);H為地下水水位(m);W為單位體積流量，用以代表流進(jìn)源或流出匯的水量(m3);μs為貯水系數(shù)(1/m);H0為地下水初始水位(m);H1為模擬期邊界處的地下水水位(m);t為時(shí)間(d);D為模擬區(qū)范圍;Γ1為類邊界。

3 井群布置方案

3.1 確定抽灌井?dāng)?shù)

依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件和相關(guān)技術(shù)規(guī)范來(lái)確定開(kāi)采井與回灌井的數(shù)量。研究區(qū)人水源熱泵系統(tǒng)的建筑物面積64 618 m2，根據(jù)設(shè)計(jì)冷、負(fù)荷總量，并考慮輸水損失，確定設(shè)計(jì)用水量為490 m3/h。參考研究區(qū)實(shí)際抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定單井出水量為70 m3/h，需要7口開(kāi)采井?？紤]實(shí)際運(yùn)行中井、泵維護(hù)的需要，設(shè)有1口備用井;因此，開(kāi)采井?dāng)?shù)可確定為“7用1備”，共計(jì)8口抽水井(圖1)。

圖1 抽灌井平面分布示意圖

通過(guò)分析研究區(qū)內(nèi)含水層的透水性能及抽水～回灌試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定單井真空回灌能力為28 m3/h。系統(tǒng)最大開(kāi)采量為490 m3/h，若進(jìn)行100%回灌，需要18口回灌井?？紤]井、泵維護(hù)的需要，回灌備用井按回灌井?dāng)?shù)的10%計(jì)為2口;則，回灌井?dāng)?shù)可確定為“18用2備”，共計(jì)20口回灌井。

3.2 井間距

抽水井與回灌井的間距是地下水源熱泵系統(tǒng)井群設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，也是影響熱貫通程度的最大可控因素，井間距越大，熱貫通產(chǎn)生的時(shí)間越長(zhǎng)，程度越輕微。因此，為保證水源熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行，抽水井與回灌井之間應(yīng)取合理的井間距。抽水井和回灌井通常布設(shè)在建筑物周圍，考慮到實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)投入和建筑物場(chǎng)地條件等制約因素，相鄰抽水、回灌井間距選取25 m、40 m、50 m和60 m作為研究對(duì)象。

4 不同井間距影響評(píng)價(jià)

首先利用抽水試驗(yàn)、抽水與回灌試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)水位、流量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行識(shí)別，利用識(shí)別后的模型，模擬不同井間距條件下的地下水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，不同間距下制冷期末的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)變化影響范圍如圖2、表1、表2和圖3所示。

圖2 井間距50 m時(shí)制冷期末地下水水位等值線

表1 制冷期末地下水水位變化統(tǒng)計(jì)表

表2 制冷期末溫度變化統(tǒng)計(jì)表

圖3 不同井間距條件下制冷期末溫度場(chǎng)變化示意圖

圖4 不同井間距下最不利抽水井溫度變化過(guò)程線

分析圖2、表1、表2、圖3和圖4中的數(shù)據(jù)可知，抽水～回灌量一定時(shí)，抽水井和回灌井相對(duì)位置不變的條件下，含水層中抽水～回灌井附近的水位降落漏斗面積隨著井間距的增加而增大，水位下降值大于0.1 m的影響范圍由3.12 km2增大到4.41 km2;考慮抽水井、回灌井流場(chǎng)相互疊加后，相鄰井間距為40 m和50 m時(shí)，抽水井、回灌井水位降升幅度相對(duì)較小。

隨著井間距的增加，溫度升高0.5℃和1.5℃的面積也逐漸增大，不同井間距最不利抽水井產(chǎn)生“熱突破”的時(shí)間延長(zhǎng)，然而井間距越小，抽水井恢復(fù)初始溫度越快，井間距對(duì)抽水井產(chǎn)生“熱突破”有明顯的影響。

綜上所述，由于抽水井和回灌井之間存在較高的溫差，為了使抽水井產(chǎn)生“熱突破”的時(shí)間延長(zhǎng)，綜合不同井間距對(duì)地下水位變化和溫度場(chǎng)的影響，并考慮工程場(chǎng)地占地面積、建筑物場(chǎng)地條件等制約因素，該實(shí)例中50 m井間距較為合理。

5 結(jié)語(yǔ)

井間距的大小直接影響著地下水源熱泵的熱貫通程度。如果只有輕微的熱貫通是可以接受的，但若是熱貫通的發(fā)生的強(qiáng)烈，則熱泵系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷的能力降低，溫度變化過(guò)大會(huì)影響熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率，甚至還能使地下水凍結(jié)，造成事故。熱貫通可接受的程度與當(dāng)?shù)氐叵滤疁囟?、熱泵機(jī)組的性能有關(guān)，熱貫通產(chǎn)生的原因與含水層特性、井間距、井的運(yùn)行方式以及負(fù)荷特性等有關(guān)，其中生產(chǎn)井和回灌井之間的間距時(shí)影響熱貫通程度的最大可控因素。

實(shí)例研究表明，井間距越大，熱貫通產(chǎn)生的時(shí)間越長(zhǎng)，程度也越輕微，在與實(shí)例水文地質(zhì)條件及工程規(guī)模相似的地區(qū)，在井間距為50 m條件下，水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水流場(chǎng)及溫度場(chǎng)影響較小。

［1］汪佳，陶月贊，姚梅.水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水流系統(tǒng)的影響評(píng)價(jià)［J］.地下水，2009，31(4):42－45.

［2］韋衛(wèi)敏.基于地下流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合模擬的抽水～回灌優(yōu)化方案研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

［3］倪龍，馬最良.含水層參數(shù)對(duì)同井回灌地下水源熱泵的影響［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39(2):229－234.

［4］Tenma N，YasukawaK，Zyvoloski G.Model study of the thermal storage system by FEHM Code［J］.Geothermics，2003，32:603 －607.

［5］Zhao Z，Zhang S，Li X.Cost－effective optimal design of groundwater source heat pumps［J］.Applied Thermal Engineering.2003，23(13):1595－1603.

［6］張遠(yuǎn)東，魏加華等.區(qū)域流場(chǎng)對(duì)含水層采能區(qū)溫度場(chǎng)的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版.2006，46(9):1518 －1521.

Research on the Optimum Distance between Water－source Heat－Pump Production Well and Injection Well

He Xingqiang
(Geological Survey of Anhui Public Management Center Hefei 230009，Aanhui)

As the distance between production well and injection well，distribution of wells and operation model of water resource heat－pump system are key determining factors of system efficiency，the paper makes a research on changes in water flow field and temperature field around production and injection wells.Taking a certain hospital;s water－source heat－pump system as example，the paper does the research on the basis of coupling model and analyzes the variation characteristics of the research objects with the help of HST3D software when the inter－well distance are 25m，40m，50m，and 60m.The result shows that a longer distance will take longer time for thermal transfixion which in a slighter degree.Therefore，the conclusion is the optimum distance between water－ source heat－ pump production well and injection well，which are in similar hydrogeological environment and project scale as the example one，should be 50m.

Inter－well distance，groundwater level，temperature and thermal transfixion

TD26

A

1004－1184(2013)05－0043－03

2013-03-13

何興強(qiáng)(1966-)，男，安徽合肥人，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)學(xué)方面的研究。