地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱結(jié)構(gòu)體合理間距確定

劉紅衛(wèi), 胡元平, 朱志明, 馬　俊, 江　凱

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢　430051； 2.湖北省淺層地溫能研究推廣中心,湖北 武漢　430051)

0　引言

地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地溫能時(shí),需要在地下設(shè)計(jì)施工取能、換熱結(jié)構(gòu)體,目前主要為地埋管換熱孔和水井兩類(lèi)。其中地埋管換熱孔有水平埋管、豎直埋管和樁埋管,埋管方式又分為單U、雙U、螺旋等多種。水井按使用功能可分為抽水井、回灌井和監(jiān)測(cè)井,按地層特征可分為松散層水井、基巖水井等。這些結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)、布置對(duì)淺層地溫能利用效果、地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效高低、持久性和項(xiàng)目投資回收期等有非常直接的影響[1-5],目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)確定其布局的標(biāo)準(zhǔn),多依靠經(jīng)驗(yàn)確定。

從實(shí)際工程項(xiàng)目運(yùn)行和監(jiān)測(cè)結(jié)果看,當(dāng)前地下?lián)Q熱結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)布置上存在較大的隨意性,對(duì)地層熱物理特征、水文地質(zhì)條件、工程項(xiàng)目運(yùn)行特點(diǎn)等差異考慮不夠全面,多由人為確定,導(dǎo)致很多項(xiàng)目“節(jié)能不節(jié)費(fèi)”，甚至“既不節(jié)能又不節(jié)費(fèi)”。分析、研究、確定換熱結(jié)構(gòu)體合理間距,是淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用的一個(gè)基礎(chǔ)性、全局性的問(wèn)題。

本文從研究地埋管周?chē)鷰r土體溫度變化對(duì)單孔換熱功率的影響著手,分析影響傳熱、換熱的因素,提出一個(gè)確定地埋管間距的經(jīng)驗(yàn)公式;研究抽水回灌井之間水熱傳遞和運(yùn)移方式,提出一個(gè)確定抽水回灌井間距的公式,可供工程應(yīng)用參考。

1　地埋管換熱孔合理間距確定

地埋管地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)地埋管換熱孔排放(吸取)冷熱量,具體工程場(chǎng)地一旦確定,地下巖土層的性質(zhì)、地下空間環(huán)境條件(地溫、地下水流動(dòng)等)基本固定,當(dāng)?shù)叵聯(lián)Q熱系統(tǒng)換熱孔額定取能量適當(dāng)、孔群布置合理、運(yùn)行調(diào)配科學(xué),則能將地上能源需求與地下可提供、調(diào)節(jié)的淺層地溫能資源量協(xié)調(diào)起來(lái),實(shí)現(xiàn)用足、用好、用長(zhǎng)淺層地溫能的目的;其中合理布置換熱孔,讓換熱孔完成好取熱、儲(chǔ)熱、導(dǎo)熱作用是關(guān)鍵[6-7]。

確定地埋管換熱孔合理間距時(shí),保證換熱管群在運(yùn)行期間各階段能給建筑物提供所需換熱量(功率)是第一目標(biāo),由于換熱孔換熱功率是變化的,影響因素多,需要考慮多種情形的組合,目前并無(wú)統(tǒng)一的公式和規(guī)定的方法來(lái)確定,工程應(yīng)用時(shí)多憑經(jīng)驗(yàn)決定。

對(duì)單個(gè)換熱孔換熱功率變化產(chǎn)生影響的主要因素有初始地溫、冷卻水平均進(jìn)水溫度、單孔輸入功率、冷熱量差異值、系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)、日運(yùn)行份額(分時(shí)系數(shù))、間歇期長(zhǎng)度、巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、臨近項(xiàng)目或區(qū)域環(huán)境影響等;在地下水流速較快的區(qū)域,地下水的流動(dòng)也會(huì)有較大影響。對(duì)群孔而言,埋管布局決定了換熱孔之間的熱干擾、功率變化,換熱孔間距取多少是設(shè)計(jì)時(shí)最需要考慮的問(wèn)題之一。

1.1　地溫變化對(duì)單孔換熱功率的影響

地埋管的換熱功率與換熱溫差有直接的關(guān)系,當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)冷卻循環(huán)水溫度固定時(shí),在制冷工況下初始地溫升高會(huì)降低換熱溫差,進(jìn)而導(dǎo)致單位換熱長(zhǎng)度換熱功率下降。假設(shè)初始地溫上升ΔT,此時(shí)地埋管單孔實(shí)際換熱功率將變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)工況時(shí)的μ倍,在不考慮其他因素時(shí),此μ值可理解為單孔換熱功率折減系數(shù)。

以制冷工況為例,武漢地區(qū)地源熱泵空調(diào)機(jī)組冷卻循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)工況溫度一般為35～30 ℃,平均溫度為32.5 ℃,與初始地溫19 ℃的換熱溫差為13.5 ℃,當(dāng)初始地溫上升ΔT后,按照國(guó)標(biāo)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算方法,單孔換熱功率變?yōu)樵瓉?lái)的μ倍,則有下式:

(1)

式中:μ為單孔換熱功率折減系數(shù);Ti為初始地溫,℃;ΔT為溫升,℃。

通過(guò)對(duì)均布在武漢地區(qū)13個(gè)地溫監(jiān)測(cè)孔實(shí)測(cè)結(jié)果,武漢地區(qū)20～120 m深度巖土體平均地溫為19.0 ℃,因此有:

(2)

可見(jiàn)當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)工程運(yùn)行后,如換熱鉆孔周邊巖土體平均地溫每上升1.35 ℃,單孔換熱功率將下降10%。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,換熱孔換熱效率動(dòng)態(tài)變化(降低為主)是一種常態(tài),設(shè)計(jì)時(shí)僅依靠短期熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果并參照國(guó)標(biāo)確定地埋管換熱總長(zhǎng)度,雖然考慮了1.1的系數(shù),理論和應(yīng)用上仍存在明顯的不足。

1.2　地埋管換熱孔合理間距確定

初步分析,影響地埋管換熱孔換熱功率最主要的因素有巖土層性質(zhì)、加熱功率、分時(shí)系數(shù)(運(yùn)行份額)、運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng),次要的因素有地下水作用、布孔形狀、間歇時(shí)長(zhǎng)、冷熱量差等。

國(guó)標(biāo)中在設(shè)計(jì)、確定地埋管換熱孔(系統(tǒng))總長(zhǎng)度時(shí)已經(jīng)考慮了分時(shí)系數(shù)的作用,地埋管換熱運(yùn)行時(shí)間在8～24 h,每延米換熱量設(shè)計(jì)取值可相差32 W/m,但在確定地埋管間距時(shí)僅考慮分時(shí)系數(shù)單因素尚不夠全面。

綜合考慮影響換熱孔間距確定的主要因素,結(jié)合實(shí)際工程情況,提出一個(gè)確定地埋管合理間距的經(jīng)驗(yàn)公式:

(3)

式中：D為換熱孔間距,m;P為加熱功率(每延米換熱量),W/m；a為運(yùn)行份額,每天運(yùn)行時(shí)間/24 h;t為單工況運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng),d;λ為巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃;ρ為密度,103kg/m3;c為比熱容,103J/kg℃;ξ為埋管布局系數(shù),單、雙排布置取0.95,正方形(矩形)布置取1.0,梅花形布置取1.05;有地下水時(shí),且徑流條件較快時(shí)取0.9。

1.3　模擬驗(yàn)證

根據(jù)式(2)可知,由于地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行,會(huì)引起周?chē)鷰r土體溫度上升,當(dāng)換熱孔中心某一距離范圍內(nèi)巖土體的平均溫度每上升1.35 ℃,地埋管單孔換熱功率能效即下降10%(為設(shè)計(jì)值的90%),本文認(rèn)為,此界限值是維持地源熱泵系統(tǒng)高效、正常運(yùn)行可接受的換熱量降低下限值,此距離值即是合理?yè)Q熱孔間距的界線(xiàn)值。

利用數(shù)值模擬法[8],計(jì)算不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)及組合條件下的影響半徑值,驗(yàn)證式(3)的合理性,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　換熱孔距離(影響半徑)數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式估算結(jié)果對(duì)比表Table 1　Correlation table of numerical simulation and empirical formula of heat transfer(influence radius)

注：按每天運(yùn)行10 h,正方形布置。

對(duì)比二者結(jié)果,模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有一定偏移,但基本吻合,可供設(shè)計(jì)參考、改進(jìn)。

實(shí)際工程項(xiàng)目確定地埋管換熱孔布孔方案時(shí),通常還要考慮場(chǎng)地大小、換熱孔施工造價(jià)、需要從地下取用的冷熱總量、項(xiàng)目冷熱量差值比、制冷或供暖期運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)與同期間歇時(shí)長(zhǎng)比值等其它問(wèn)題后綜合確定地埋管布局。

2　抽水回灌井合理間距確定

2.1　確定方法

與地埋管系統(tǒng)一樣,地下水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),抽水井、回灌井的間距、布局、取水及回灌量、運(yùn)行時(shí)間等對(duì)地下空間內(nèi)巖土體換熱及地源熱泵系統(tǒng)能效有直接影響,需要合理的間距、布局。由于地下水的流動(dòng)特性,抽水井和回灌井之間距離的確定需要考慮抽灌比、地下冷熱“鋒面”及能量傳遞的影響,項(xiàng)目所處地下水補(bǔ)徑排位置、不同厚度和滲透性含水層組合特征以及不同用能量需求等條件，需視具體情況而定。其中冷熱“鋒面”及傳遞對(duì)系統(tǒng)能效影響最大,由于地下水流動(dòng)帶動(dòng)熱量傳遞會(huì)引起熱貫通,而熱貫通會(huì)對(duì)系統(tǒng)能效產(chǎn)生較大的影響,因此在進(jìn)行抽水回灌井間距分析時(shí)以此為重點(diǎn)。

2.2　經(jīng)驗(yàn)公式

由于抽水井距離回灌井距離一般遠(yuǎn)大于井身傳熱影響半徑,因此回灌井對(duì)抽水井的熱干擾主要通過(guò)地下水的傳播。在地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,抽水井因抽水水位下降,而回灌井中由于回灌的注入,井中水位會(huì)上升。抽水井與回灌井中水位一升一降,在兩井間便會(huì)產(chǎn)生水頭差ΔH,根據(jù)達(dá)西定律:

假設(shè)建筑空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)后從系統(tǒng)中排出的高溫(低溫)水從回灌井中流到抽水井,即會(huì)對(duì)抽水井溫度產(chǎn)生影響,且抽水井和回灌井間距按此距離布置,則有:

(4)

式中:D為抽水井與回灌井間距,m;ΔH為抽水井與回灌井水頭差,m;K為含水層平均滲透系數(shù),m/d;I為水力坡度;t為運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),d。

2.3　項(xiàng)目驗(yàn)證

以湖北省某項(xiàng)目地層為模型進(jìn)行計(jì)算,夏季正常運(yùn)行工況為一天運(yùn)行16 h,年運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)為120 d,故t=80 d;運(yùn)行過(guò)程中抽水井處水位降深為5 m,回灌井處水位上升3 m,因此水頭差ΔH=8 m;該處含水層為砂層,平均滲透系數(shù)K=8.21 m/d,代入式(3)計(jì)算得該項(xiàng)目合理抽水回灌井間距:D=72.5 m。

該項(xiàng)目抽水回灌井實(shí)際間距為45 m,根據(jù)監(jiān)測(cè)記錄,系統(tǒng)運(yùn)行不到2個(gè)月時(shí),回灌井中的熱水即流動(dòng)到抽水井附近,抽水井溫度從18.7 ℃上升到22.6 ℃,地源熱泵系統(tǒng)能效大為降低,運(yùn)行能耗增加;說(shuō)明當(dāng)初項(xiàng)目進(jìn)行抽灌井設(shè)計(jì)時(shí),不應(yīng)該只考慮地下水水溫、換熱溫差、取水量、回灌量,還應(yīng)加大抽水回灌井間距;實(shí)際運(yùn)行管理過(guò)程中,應(yīng)設(shè)法降低抽水回灌水位差或減少運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

據(jù)該項(xiàng)目地下水位監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)結(jié)果,該區(qū)塊地下水夏季平均水力坡度為2.7‰,而抽水回灌井間的水力坡度為8～45,即18%,遠(yuǎn)>2.7‰,可見(jiàn)分析抽水回灌井合理間距時(shí),類(lèi)似水文地質(zhì)單元可不考慮區(qū)域水力坡度的影響。

式(4)中推導(dǎo)得出的確定抽水井與回灌井間距離的公式,有一個(gè)假設(shè)前提,視地下水到達(dá)回灌井處時(shí)熱量即同溫、同期到達(dá),忽略了此過(guò)程中水向巖土體的傳熱和巖土體內(nèi)部的傳熱。

該公式是基于松散巖土體潛水和承壓含水層建立的,基巖裂隙水可參照,巖溶水中不適用。需要注意的還有,松散巖土含水層中通常分層較明顯,即下部為粗砂、礫砂,上部為粉細(xì)砂,水流在滲透系數(shù)較大的粗砂、礫砂中流動(dòng)速度較快,熱量運(yùn)移也較快,而在粉細(xì)砂中流動(dòng)速度慢,熱量運(yùn)移也慢,因此利用該公式時(shí)合理選擇滲透系數(shù)尤為重要。當(dāng)粗砂、礫砂層較厚時(shí),可以直接采用粗砂、礫砂的滲透系數(shù),顯然此時(shí)設(shè)計(jì)布置抽水回灌井時(shí)間距應(yīng)當(dāng)更大。

該公式可為地下水地源熱泵設(shè)計(jì)中抽水回灌井間距的確定提供參考,也可對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的地下水地源熱泵進(jìn)行估算,計(jì)算回灌井對(duì)抽水井產(chǎn)生熱干擾的時(shí)間,以采取相應(yīng)的預(yù)防、處置措施。

3　結(jié)論與建議

(1) 地埋管周?chē)鷾囟鹊淖兓瘜?duì)單孔換熱功率及系統(tǒng)能效有較大影響。夏季制冷(冬季供暖)時(shí),周?chē)鷰r土體溫度升高(降低),單孔換熱功率和系統(tǒng)能效降低。

(2) 分析影響地埋管換熱孔間距確定的主要因素,結(jié)合實(shí)際工程情況,提出一個(gè)確定地埋管換熱孔合理間距的經(jīng)驗(yàn)公式;考慮地下水熱貫通對(duì)系統(tǒng)的影響,提出一個(gè)確定抽水回灌井間距的經(jīng)驗(yàn)公式;經(jīng)驗(yàn)證明與模擬結(jié)果、實(shí)際工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)情況基本吻合,可供設(shè)計(jì)參考。

(3) 兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式都有一些假設(shè)前提,實(shí)際影響因素要復(fù)雜得多,在實(shí)際參考使用時(shí),應(yīng)該注意其適用條件,結(jié)合實(shí)際工程條件合理使用。

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