地下水人工流場能效增強技術在淺層地熱能開發(fā)中的應用

彭 濤，孫 鐵，王秉忱，李 楊，趙 軍(.建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 00007；.天津大學，天津 3000)

地下水人工流場能效增強技術在淺層地熱能開發(fā)中的應用

彭 濤1，孫 鐵1，王秉忱1，李 楊2，趙 軍2
(1.建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007；2.天津大學，天津 300120)

中新天津生態(tài)城地處天津市濱海地區(qū)，區(qū)內地下水位高，地下水流動性差，地層上部80～100 m深度內地下水均為咸水，地層天然的熱傳導能力差，在一個供能期內地埋管向土層中散出的冷量/熱量難以在短時間消散，造成冷量/熱量在地埋管附近處持續(xù)堆積，使地源熱泵系統(tǒng)能效降低。地下水人工流場能效增強技術可通過地下水流動將地埋管周圍堆積的冷量或熱量較為均勻地轉移到整個地埋管區(qū)域土壤中，使地埋管間的淺層地熱能被充分利用，增大換熱溫差，提高地埋管的換熱效率，從而提高地源熱泵系統(tǒng)的能效。

人工流場能效增強技術;土壤源熱泵;地埋管;地溫場;系統(tǒng)能效

天津市濱海地區(qū)的地下水位較高，地下水流動性差，近似靜水環(huán)境，土層天然的熱傳導能力較差，在一個供能期內地埋管系統(tǒng)向土層中散出的冷量/熱量難以在短時間內消散，造成冷量/熱量在地埋管附近處持續(xù)堆積，使地源熱泵系統(tǒng)能效降低，難以滿足建筑取暖/制冷的需求[1～3]。在地埋管群的兩側設置抽水井和回灌井可形成人工流場[4～7]。改變抽水井和回灌井的水流量，可改變人工流場的強度；通過抽水井和回灌井的轉換，可改變流場的影響效果。

本文以位于天津濱海區(qū)的中新生態(tài)城城市管理服務中心地源熱泵工程為研究對象，進行了人工流場地源熱泵系統(tǒng)能效增強技術研究與試驗。

1 研究區(qū)概況

1.1區(qū)域概況

試驗工程位于中新天津生態(tài)城城市管理服務中心，屬公共建筑，建筑面積5 174.88 m2，采用地源熱泵供冷/供熱，熱泵機組制熱量550 kW，制冷量530 kW；地埋管數(shù)量105根，深度120 m，采用雙U型地埋管。該工程建設時未設置監(jiān)測孔。

1.2水文地質條件

根據(jù)區(qū)域地質勘探成果，研究區(qū)100 m以淺水文地質條件為(圖1)：

第一弱透水層底板埋深4.3 m，巖性主要為人工填土和亞黏土，滲透系數(shù)2.67×10-4m/d。

第一含水層底板埋深19.8 m，巖性主要為粉砂，滲透系數(shù)3.46 m/d，為地下咸水含水層。

第二弱透水層底板埋深21.5 m，巖性主要為亞黏土和亞砂土，滲透系數(shù)2.60×10-4m/d。

第二含水層底板埋深27.1 m左右，巖性主要為粉砂，滲透系數(shù)3.53 m/d，為地下咸水含水層。

第三弱透水層底板埋深29.2 m，巖性主要為亞黏土，滲透系數(shù)2.70×10-5m/d。

第三含水層底板埋深49.7 m左右，巖性主要為粉砂，夾亞黏土薄層，滲透系數(shù)3.67 m/d，為地下咸水含水層。

第四弱透水層底板埋深60.5 m，巖性主要為亞黏土，夾亞砂土和粉砂薄層，滲透系數(shù)6.70×10-4m/d。

第四含水層底板埋深66.7 m左右，巖性主要為粉砂，滲透系數(shù)3.76 m/d，為地下咸水含水層。

第五弱透水層底板埋深79.2 m，巖性主要為亞黏土，滲透系數(shù)4.30×10-4m/d。

第五含水層底板埋深97.5 m左右，巖性主要為粉砂，夾亞黏土薄層，滲透系數(shù)3.67 m/d，為地下淡水含水層。

第六弱透水層底板埋深100 m，巖性主要為亞黏土，滲透系數(shù)3.10×10-5m/d。

可利用含水層累計厚度30.0～35.0 m。

圖1 水文地質剖面簡圖Fig.1 Hydrogeological section diagram

揭露深度段地下水主要接受大氣降水和地表水滲漏補給，靠蒸發(fā)排泄，各含水層無明顯的地下水流場。

本區(qū)地處濱海平原，多次海侵使淺部形成廣布的咸水，根據(jù)區(qū)域資料分析，咸水底板埋深60～70 m。第一含水層至第四含水層均為地下咸水含水層，水化學類型多為Cl—Na型、Cl—Na·Mg型和Cl·SO4—Na·Mg型，溶解性總固體大于5 g/L。

第五含水層為地下淡水含水層，水化學類型為HCO3—Na型或HCO3·Cl—Na型，溶解性總固體一般小于2 g/L。

經(jīng)調查，場地半徑3 km范圍內，無同層地下水開采。

2 試驗工程布設

2.1場地概況

試驗工程為已建建筑，場地可供布置抽灌井的位置非常狹窄。本次共布設2口采、灌水井(井間距74 m)及1口分層沉降監(jiān)測標，采灌水井及分層沉降監(jiān)測井單井井深均為100 m。其中兩眼采灌水井在地面通過管路相連，并加裝調控裝置，以實現(xiàn)水井采灌調換。采灌比為1∶1(圖2)。

圖2 工程布置示意圖Fig.2 Demonstration project plan

2.2采灌井布設

采灌水井井深100 m，井徑250 mm，最大抽水量10 m3/h。考慮變溫帶深度和地層固結程度，第二弱透水層(底板埋深21.5 m)以上為套管，井管外采用黏土球止水；21.5～100 m為濾水管，濾水管外回填粗砂濾料(圖3)。

圖3 井結構簡圖Fig.3 well structure diagram

3 試驗工程運行監(jiān)測

通過監(jiān)測地埋管地源熱泵系統(tǒng)關鍵參數(shù)，為分析工程運行效果提供有效依據(jù)(表1)。各參數(shù)監(jiān)測頻率為1次/min。

表1 地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 人工流場試驗方案

試驗研究工作2016—2017年供暖季中進行，具體見表2。

表2 地源熱泵系統(tǒng)運行方案

5 地源熱泵系統(tǒng)運行效果分析

5.1無人工流場狀態(tài)下運行

工程供暖季原始運行狀態(tài)下，某典型日的系統(tǒng)運行情況，見圖4。該工程原始運行呈現(xiàn)典型的間歇運行模式。經(jīng)統(tǒng)計，平均約半小時運行一次。該工程供暖季的地源側供水溫度較高，運行狀態(tài)下可達18～19 ℃，說明該工程供冷季負荷量較高，整個供冷季向地下土壤排放的總熱量超過整個供暖季向地下排放的總冷量，地下土壤年平均溫度逐年上升。

圖4 供暖季原始運行某典型日數(shù)據(jù)Fig.4 Original running data in a typical day of heating season

由于系統(tǒng)為間歇運行，且系統(tǒng)停止供熱時地源及負荷側循環(huán)泵持續(xù)運行，為了有效分析地源熱泵系統(tǒng)的供能效果，取地源側供回水溫差大于1 ℃作為判斷系統(tǒng)是否供熱的閾值，以此分析每一段運行周期內的系統(tǒng)運行效果。以原始運行狀態(tài)下某典型日的平均機組COP變化，見圖5。

圖5 供暖季原始運行某典型日平均機組COP曲線Fig.5 The average cop curve of unit in aoriginal running typical day of heating season

原始運行狀態(tài)下，平均機組COP基本呈現(xiàn)上班期間(8—16時)較高，下班期間(16時—次日8時)較低的規(guī)律，這是由于上班期間負荷率較高，機組COP相對較高。全天的平均機組COP在4.3左右。

5.2人工流場狀態(tài)下運行

人工流場可以強化地埋管的對流換熱，在供暖季時緩解地埋管周圍的冷量堆積，提高地埋管與土壤間的換熱溫差，進而提高地埋管的整體換熱效果。采用1月10日的運行數(shù)據(jù)，分析人工流場對地源熱泵供熱效果的影響。

在8時左右開始上班時，由于供暖負荷增加，地埋管周圍的冷量堆積逐漸增加，地源側回水溫度逐漸下降，在該種情況下，為了保證足夠的取熱量，地源熱泵機組將降低地源側出水溫度，這將造成機組COP降低、

能效水平下降。在14∶05開始抽水進行人工地下水流場運行，可以看出地源側回水溫度開始逐漸回升，說明地埋管周圍的冷量堆積在一定程度上得到緩解(圖6)。

圖6 1月10日地源側回水溫度曲線Fig.6 the ground source side return water temperature curve on January 10

由于地源熱泵機組能效水平并不能直接通過地源側回水溫度計算得出，為了定量分析人工流場對地源熱泵機組能效水平的影響，選取項目監(jiān)測周期內的平均數(shù)據(jù)作為對照組，計算不同運行方案下的機組平均COP變化，見表3。人工流場可以在一定程度上緩解地埋管周圍的冷量堆積，提高地埋管的換熱效果并最終提高地源熱泵機組的平均COP。

表3 不同運行方案下機組平均COP變化

圖7為人工流場下人工流場抽水量對機組平均COP的影響。機組平均COP與人工流場抽水量基本呈現(xiàn)正相關關系。

6 數(shù)值模擬分析

根據(jù)試驗工程運行情況，建立了基于工程地質條件下的地埋管群換熱模型，分別進行有/無人工流場下地埋管的換熱效果模擬。模擬計算采用FEFLOW軟件，包括天然狀態(tài)下及人工流場影響下的地埋管運行模擬各一組。

圖7 人工流場抽水量對機組平均COP提高百分比的影響Fig.7 The effect of artificial flow field pumping on the average cop increase

圖8 有/無人工流場模擬結束時砂層水平面溫度圖Fig.8 water temperature in sand at the end of simulation without and with artificial flow

圖8為有/無人工流場影響下，模擬運行結束時第一層砂層中間深度水平面溫度分布圖。在沒有人工流場作用時，由于土壤的傳熱能力較差，地埋管放出的冷量堆積在地埋管周圍，短時間內難以散出；而加入人工流場作用后，由于滲流的存在，地埋管周圍的冷量堆積得以傳遞至地埋管之間的土壤中。

圖9(a)為有/無人工流場影響下，105根地埋管平均進出口溫差的變化。總體上，隨著熱堆積越來越嚴重，有、無人工流場影響下地埋管的換熱量都呈現(xiàn)下降趨勢；但有人工流場的情況，由于一部分熱堆積被人工流場緩解，地埋管的換熱效果得到強化。在運行初期，隨著時間增加，人工流場的強化效果也顯著增加，說明在冷量堆積越嚴重的情況下人工流場的強化效果越明顯。而運行后期，人工流場的強化效果開始趨于平穩(wěn)(圖9(b))。

圖9 有/無人工流場地埋管群平均進出口溫差變化及人工流場下地埋管換熱量提高百分比Fig.9 theaverageimport and export temperature difference of buried pipeswith artificial flow field and without artificial flow field and the percentage of heat exchangeamount increase with artificial flow field

運行結束時人工流場強化下每一根地埋管的換熱量提高比例，見圖10?？拷髠人陀覀人牡芈窆軗Q熱強化最為明顯。經(jīng)計算，在運行結束時，105根地埋管的平均進出口溫差提高了8.53%，其中強化效果最好的單根地埋管(最靠近左側水井的地埋管)平均進出口溫差提高了11.50%。

圖10 各根地埋管換熱量提高比例Fig.10 the percentage of heat exchangeamount increase with artificial flow field of the buried tubes

7 結論

(1)在供暖季運行時，人工地下水流場可以在一定程度上緩解地埋管換熱器周圍的冷量堆積，提高地埋管換熱器的回水溫度，并提高地源熱泵系統(tǒng)的能效水平。

(2)實際運行數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相比，人工流場的強化效果有一定程度的降低，主要是由于該場地地埋管采用原土回填，鉆孔內較為密實，滲透性較差，人工流場無法直接作用于地埋管；此外，由于場地實際條件限制，無法進行抽灌井井位的優(yōu)化設計。若可對該兩項因素進行優(yōu)化設計，可以進一步提高人工流場的強化效果。

淺層地熱能人工流場能效增強技術不同于地下水源熱泵技術，其以較低的抽水量(小于10 m3/h)，與土壤源熱泵技術相結合，起到了變淺層地熱能靜儲量為動儲量，提高地源熱泵系統(tǒng)能效的作用，值得在條件適合的區(qū)域大力推廣。

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Theenergyefficiencyenhancementtechniqueofsoilsourceheatpumpsystemthroughgroundwaterartificialflowfield

PENG Tao1, SUN Tie1, WANG Bingchen1, LI Yang2, ZHAO Jun2

(1.CIGIS(CHINA)Limited，Beijing100007，China；2.TianjinUniversity,Tianjin300120，China)

The Sino-Singapore Tianjin Eco-city located in the coastal areas. In this area，the underground water level is high,the underground water is poor fluidity and is salt water in the top 100 m stratum，so the ability of energy transmission ofthe stratum is poor. In a energy supplyperiod, the cool/heat energy transfer from buried pipes cannot be dissipated in a short time, the cold/heat energyaccumulates around the buried pipes, so the energy efficiency of soil source heat pump system is low. The energy efficiency enhancement technique through artificial flow field can make the cold/heat energy transfer from buried pipes dissipated homogeneous, enlarge the temperature differenceofheat transfer, and enhance the energy efficiency of soil source heat pump system.

The energy efficiency enhancement technique through artificial flow field；Soil source heat pump；buried pipes；Geothermal field；system energy efficiency

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.25

P314.3;TU831.3

A

1000-3665(2017)06-0169-06

2017-08-04;

2017-09-10

十二五國家科技支撐計劃課題“天津生態(tài)城地源熱泵能源系統(tǒng)高效利用技術研究與示范”(2013BAJ09B04)

彭濤(1968-)，男，博士，研究員，主要從事工程勘察、地質災害治理、地熱資源開發(fā)等的研究工作。E-mail：pengtao@cigsi.com.cn