基于熱平衡分析的地埋管地源熱泵換熱方案模擬優(yōu)化

駱祖江，杜菁菁

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基于熱平衡分析的地埋管地源熱泵換熱方案模擬優(yōu)化

駱祖江，杜菁菁

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100）

為了確保丹陽中心城區(qū)淺層地熱能可持續(xù)開發(fā)利用，避免丹陽中心城區(qū)地埋管地源熱泵運行期間出現(xiàn)熱堆積問題，基于地下水滲流和熱量運移原理，建立了丹陽中心城區(qū)地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移三維耦合數(shù)值模型，結(jié)合未來地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行工況，預(yù)測丹陽中心城區(qū)地下溫度場的熱平衡發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃設(shè)計了3種優(yōu)化方案：①按行政區(qū)劃Ⅰ～Ⅴ個開發(fā)利用分區(qū)，調(diào)整地埋管間距分別為18，23，17，20，20 m；②地埋管間距5 m，加熱秋季生活用水Ⅰ區(qū)157 798 m3/d、Ⅱ區(qū)413 235 m3/d、Ⅲ區(qū)339 322 m3/d、Ⅳ區(qū)261 266 m3/d、Ⅴ區(qū)27 6205 m3/d，加熱春季生活用水Ⅰ區(qū)473 394 m3/d、Ⅱ區(qū)123 9705 m3/d、Ⅲ區(qū)1 017 966 m3/d、Ⅳ區(qū)783 798 m3/d、Ⅴ區(qū)828 615 m3/d；③地埋管間距5 m，增設(shè)冷卻塔輔助地埋管換熱孔進行夏季排熱，冷卻塔夏季冷卻溫度Ⅰ區(qū)為4.35 ℃、Ⅱ區(qū)為6.12 ℃、Ⅲ區(qū)為4.87 ℃、Ⅳ區(qū)為5.29 ℃、Ⅴ區(qū)為4.80 ℃。3種方案均可以有效減緩和避免丹陽中心城區(qū)地埋管地源熱泵運行期內(nèi)的熱堆積問題。地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移三維耦合數(shù)值模型是優(yōu)化確定淺層地熱能地埋管地源熱泵可持續(xù)開發(fā)利用方案的有效方法。

熱泵系統(tǒng)；模型；熱平衡；熱堆積；淺層地熱能

0 引 言

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，建筑能耗不斷增加，淺層地熱能憑借其清潔、易開采、儲量大等優(yōu)點受到人們的重視[1-2]。20世紀40、50年代，歐美國家首先興起了對地源熱泵技術(shù)的研究；20世紀70年代，第一次能源危機席卷全球，地源熱泵技術(shù)重新引起人們的關(guān)注[3]。地埋管地源熱泵（ground-dource heat pump）是地源熱泵系統(tǒng)[4-7]的一個分支，是以地表淺層土壤為低品位熱源，通過由地下埋管組成的地熱換熱器與水循環(huán)系統(tǒng)輸入少量高品位能源，實現(xiàn)熱量由低到高的轉(zhuǎn)變，進而實現(xiàn)城市夏季供冷冬季供熱的需求[8-11]。進入21世紀以來，中國陸續(xù)開展了淺層地熱能地埋管地源熱泵的開發(fā)利用，目前中國地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用面積已超過2 000萬m2，且每年以超過15%的速度遞增[12]。但由于目前尚處于起步階段，普遍缺乏科學(xué)的設(shè)計和規(guī)劃，地源熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用過程中相繼出現(xiàn)了熱堆積問題，嚴重影響了淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用[13-16]。

本文以丹陽中心城區(qū)地埋管地源熱泵為例，通過建立江蘇丹陽中心城區(qū)地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移三維耦合數(shù)值模型，結(jié)合未來地源熱泵系統(tǒng)的運行工況，模擬預(yù)測了丹陽地下溫度場的熱平衡發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化模擬設(shè)計了3種不同開發(fā)利用方案，即調(diào)整地埋管間距[17-19]，保持地埋管間距不變增加春秋季生活用水，和保持地埋管間距不變增設(shè)冷卻塔輔助換熱孔排熱[20-22]，有效解決了地源熱泵系統(tǒng)運行過程中的熱堆積問題，確保了淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用[23]。

1 地質(zhì)概況

丹陽地處江蘇南部，長江南岸，屬于北亞熱帶南部季風氣候區(qū)，地表水系發(fā)達。全市地勢西北高、東南低，地處低山丘陵與平原過渡帶，地貌以低山丘陵和平原為主，前第四系地層屬揚子地層區(qū)。本次研究范圍為丹陽中心城區(qū)，詳見圖1，圖中DW1，DW4，DW6為熱響應(yīng)試驗孔，限制深度為100 m?；鶐r面埋深為30～90 m，包含山前崗地第四系全新世地層、下蜀組、柏山組，太湖沖積平原第四系全新世如東組、更新世滆湖組、昆山組、啟東組，巖性以黏土、粉砂為主，少有鐵錳質(zhì)結(jié)核。丹陽中心城區(qū)缺失第四系上更新統(tǒng)下部的第Ⅰ承壓含水層，第四系中、下更新統(tǒng)第Ⅱ、Ⅲ承壓含水層。潛水含水層接受大氣降水及農(nóng)田灌溉的補給，由全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)上部的褐黃、灰黃色亞黏土和灰、青灰色亞砂土夾粉砂組成，厚度為5～20 m，水位埋深為0.50～4.31 m。

計算區(qū)域恒溫帶深度為10～30 m，鉆孔埋深100 m范圍內(nèi)，初始平均溫度為18.7～19.26 ℃，巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.68～2.07 W/(m·K)。

注：DW1、DW4、DW6為孔號，100為孔深度。

2 地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移模型

2.1 地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移概念模型

以丹陽中心城區(qū)為計算區(qū)域，垂向上按地層巖性結(jié)構(gòu)由上到下進行概化，共4層，依次為厚度為3～20.4 m的全新世地層、厚度為5.9～44.6 m的晚更新世地層、厚度為6.7～29.4 m的中更新世及厚度為2.2～16.3 m的部分早更新世地層和基巖層，計算深度按換熱器長度取100 m。各熱儲層水平方向上均概化為非均質(zhì)各向同性，各層水平方向和垂直方向的滲透性相差較大，為水平和垂直2個方向上的各向異性，各層之間均發(fā)生水力聯(lián)系，地下水流態(tài)為三維非穩(wěn)定流。系統(tǒng)頂部為補給邊界接受大氣降雨的補給，排泄邊界為地下水通過系統(tǒng)頂部進行蒸發(fā)之處，隔水邊界為系統(tǒng)底部。各熱儲層邊界上水力交換密切且其四周均概化為通用水頭邊界。設(shè)定計算范圍內(nèi)地下水和含水介質(zhì)骨架的熱動平衡瞬時完成，忽略由于溫度差引起水的密度不同而引起的上下自然對流的影響，并將熱儲層四周概化為第二類熱量邊界條件。

2.2 地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移數(shù)學(xué)模型

取坐標軸方向與熱儲層各向異性主滲透系數(shù)方向一致，可以建立工作區(qū)地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移三維耦合數(shù)值模型[24-30]。

地下水非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型：

式中k、k、k為各向異性主方向滲透系數(shù)，m/d；為點（,,）在0時刻的水頭值，m；為源匯項，d-1；為時間，d；為計算域；0(,,,0)為點（,,）處的初始水頭值，m；(,,)為第二類邊界上單位面積的補給量；cos(,)，cos(,)，cos(,)為流量邊界外法線方向與坐標軸方向夾角的余弦；為飽和差（自由面上升）或給水度（自由面下降）；2、3為第二類邊界和自由面邊界。

地下水熱量運移數(shù)學(xué)模型

式中、、為各方向水的熱動力彌散系數(shù)，W/(m·K)；c為水的熱容量，J/(m3·K)；為含水介質(zhì)的熱容量，J/(m3·K)；v、v、v為地下水滲流速度分量，m/d；0(,,)為點(,,)處初始溫度值，K；(,,,)為邊界溫度函數(shù)；Q為熱源匯項Q=cW(T?)；T為源匯項的溫度，℃；(,,,)為第二類邊界上已知的熱量或熱流函數(shù)（J/(m3·d)）。

地下水流運動方程：

將式式（1）、（2）、（3）耦合，共同構(gòu)成地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移三維耦合數(shù)值模型。

2.3 模型識別與校正

上述模型采用伽遼金有限元方法進行求解，并采用預(yù)處理共軛梯度法求解線性代數(shù)方程組。整個計算過程采用FDRTRAN 90語言，按結(jié)構(gòu)化矩陣的設(shè)計要求，編制成計算機程序，在PC機加以完成。

平面上將計算域剖分成5 324個三角形單元，每層節(jié)點2 764個，垂向上考慮到地層結(jié)構(gòu)和巖性，共剖分為4個地層，5個計算層面，共計21 296個單元，13 820個節(jié)點。計算域平面與空間單元剖分見圖2。

模型的校正、識別采用熱響應(yīng)試驗孔地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進行溫度擬合，其中水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)土樣滲透系數(shù)室內(nèi)測試統(tǒng)計賦值。根據(jù)熱響應(yīng)測試運行期間所取得的地溫監(jiān)測資料，反演土體熱物性參數(shù)，選取時段2016年3月22日14：00至2016年4月19日5：00作為模型的校正識別時段，共663個應(yīng)力期，每個應(yīng)力期一個時間步長。

識別驗證階段采用2016年3月22日14：00各熱儲層實測溫度，作為模型各層的初始溫度值；根據(jù)地下水位統(tǒng)測資料，確定2016年3月22日14：00各熱儲層的水位，作為模型各層的初始水位值。

圖2 計算域

通過地溫監(jiān)測資料，不斷調(diào)整參數(shù)分區(qū)，并進行反演求參，最終將整個計算區(qū)分成了30個參數(shù)分區(qū)，并得到了各分區(qū)的參數(shù)值，各熱儲層淺層地熱能熱物性參數(shù)分區(qū)見圖3，各參數(shù)分區(qū)的參數(shù)值見表1。圖4以DW4、DW6為例說明了溫度觀測值和計算值擬合精度，從圖4中可以看出DW4孔溫度觀測值與計算值的差不超過6 ℃，DW6孔溫度觀測值與計算值的差不超過2 ℃。

圖3 第1～4熱儲層淺層地熱能熱物性參數(shù)分區(qū)

表1 各層位各參數(shù)分區(qū)表

a. DW4

b. DW6

圖4 DW6孔溫度觀測值與計算值擬合圖

Fig.4 Temperature observation value and calculated value fitting diagram in DW6

3 熱平衡模擬計算

3.1 熱平衡發(fā)展趨勢模擬分析

按行政區(qū)將整個丹陽中心城區(qū)劃分成Ⅰ～Ⅴ個開發(fā)利用分區(qū)，根據(jù)丹陽市實際情況，采取南方典型的冷暖運行模式：冷暖聯(lián)供模式：每年的6－9月為制冷期（122 d），10－11月為停采期（61 d），12至次年2月為供暖期（90 d），3－5月為停采期（92 d），此為一個運行周期。模擬假設(shè)系統(tǒng)運行10 a，且換熱系統(tǒng)全天運行10 h，Ⅰ～Ⅴ區(qū)井間距均為5 m。

我國山區(qū)村鎮(zhèn)居民防災(zāi)知識相對比較缺乏，要通過防災(zāi)宣傳教育，使人們掌握應(yīng)對各種地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)知識，提高自救能力。對泥石流來說，應(yīng)懂得：不要停留或躲在屋里；露宿時避開陡峭的懸崖和溝壑；逃生時往旁側(cè)面跑，跑到開闊地帶或堅固的高地上；山谷中出現(xiàn)巨大沉悶的響聲、溝槽斷流和溝水變渾等現(xiàn)象，預(yù)示可能發(fā)生泥石流。

在上述工況下，預(yù)測地埋管換熱方式淺層地熱能開采運行10 a地下水滲流與熱量運移的變化趨勢。預(yù)測時間段為2015年6月初至2025年5月底，每年12個應(yīng)力期，每個應(yīng)力期一個時間步長。初始溫度場等值線圖及運行10 a溫度場等值線圖見圖5、圖6，以Ⅲ區(qū)DW6孔為例，運行10 a該監(jiān)測孔處地溫歷時曲線見圖7，各監(jiān)控點處的溫度變化值見表2。

表2 監(jiān)控點溫度變化值 Table 2 Temperature change value 計算分區(qū)Partition地埋管間距Spacing of buried pipe/m監(jiān)控點編號Monitory point no.地層溫度增幅Formation temperature increase/℃均值Mean value/℃ Ⅰ區(qū)512.776.90 211.03 Ⅱ區(qū)5312.2510.24 48.22 Ⅲ區(qū)5511.8411.64 611.45 Ⅳ區(qū)575.397.44 89.50 Ⅴ區(qū)598.386.71 105.03

圖5 2015年6月1日模型第1～4層初始溫度場圖 Fig.5 Natural temperature field map of 1-4 layer in Jun 1, 2015

圖6 2025年5月31日第1～4層預(yù)測溫度場圖 Fig.6 Forecast temperature field map of 1-4layer in May 31, 2025

圖7 DW6監(jiān)測孔處運行10 a的地溫歷時曲線 Fig.7 Earth temperature diachronic curve of DW6 after operating 10 years

由于地埋管換熱方式淺層地熱能的開發(fā)，隨著換熱孔夏季放熱冬季取熱，溫度在局部范圍內(nèi)將發(fā)生較大變化，熱量逐年堆積。由此將對周圍水環(huán)境產(chǎn)生一系列的影響，也將造成地埋管換熱系統(tǒng)在第一個運行季節(jié)的中期或是后期換熱效果減弱，換熱系統(tǒng)能效降低甚至無法正常運行。

3.2 地埋管換熱方式優(yōu)化模擬分析

由運行方案預(yù)測結(jié)果可知，由于地埋管間距過近，淺層地熱能開發(fā)引起熱量堆積在地下難以消耗，隨時間推移，熱堆積越來越嚴重。

為實現(xiàn)淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用，應(yīng)用所建立的研究區(qū)地下水非穩(wěn)定滲流與熱量運移三維耦合數(shù)值模型，分3種方案進行優(yōu)化模擬分析，討論3種方案減緩熱量堆積的程度：方案1當各計算分區(qū)單孔年內(nèi)取放熱量確定時，運行工況不變，針對熱堆積問題，模擬計算各分區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用的最小地埋管間距；方案2當各計算分區(qū)地埋管間距為5 m、單孔年內(nèi)取放熱量確定時，適當改變運行工況，針對熱堆積問題，模擬計算春秋季需加熱生活用水的水量；方案3當各計算分區(qū)地埋管間距為5 m、單孔年內(nèi)取放熱量確定時，增加冷卻塔輔助設(shè)備，針對熱堆積問題，模擬計算夏季循環(huán)介質(zhì)經(jīng)冷卻塔需冷卻的溫度。

3.2.1 方案1模擬結(jié)果與分析

研究數(shù)據(jù)選取科睿唯安公司的德溫特數(shù)據(jù)庫；檢索時間為2018 年7月；檢索方式利用“關(guān)鍵詞”+“IPC分類號”進行組合檢索；檢索范圍為1963年至今與自動駕駛技術(shù)相關(guān)的所有專利數(shù)據(jù)；檢索初步結(jié)果為相關(guān)專利共計22 184條，經(jīng)查重、清洗得到最終有效專利22 177條。

趙新宇等(2013)利用吉林大學(xué)公眾幸福指數(shù)課題組關(guān)于2012年中國公眾主觀幸福感問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，運用有序概率模型考察了絕對收入、相對收入和預(yù)期對公眾主觀幸福感的影響。發(fā)現(xiàn)我國存在“幸福悖論”現(xiàn)象，相對收入對公眾主觀幸福感有顯著促進作用，其效果強于絕對收入；預(yù)期對于中、低收入群體的主觀幸福感具有顯著正向作用。

方案1通過模擬計算，將Ⅰ～Ⅴ區(qū)的最小地埋管間距改變?yōu)?8、23、17、20、20 m，各監(jiān)控點10 a后100 m以上淺地層平均溫度增幅及可開采資源量見表3，DW6孔處運行10 a的溫度歷時曲線見圖8。

表3 方案1監(jiān)控點溫度變化及可開采資源量 Table 3 Temperature change value and recoverable resources in scheme 1 計算分區(qū)Partition地埋管間距Spacing of buried pipe/m監(jiān)控點編號Monitory point No.地層溫度增幅Formation temperature increase/℃均值Mean value/℃夏季總排熱量Total summer heat /kW冬季總?cè)崃縏otal winter heat/kW Ⅰ區(qū)1810.490.4837 355.2933 187.23 20.47 Ⅱ區(qū)2330.480.4445 829.0134 421.35 40.40 Ⅲ區(qū)1750.460.4755 537.8446 883.83 60.49 Ⅳ區(qū)2070.410.4354 658.9544 335.95 80.45 Ⅴ區(qū)2090.460.4261 665.9252 484.28 100.38

圖8 方案1下DW6孔運行10 a的溫度歷時曲線 Fig.8 Earth temperature diachronic curve of DW6 in scheme 1 after operating 10 years

由計算結(jié)果可知，地埋管淺層地熱能開采10 a后，由于地埋管間距增加，年內(nèi)地層溫度升幅減小；由監(jiān)控點多年歷時曲線圖可知，制冷期內(nèi)監(jiān)控點處土壤溫度逐漸上升，供熱期內(nèi)監(jiān)控點處土壤溫度逐漸下降，隨著淺層地熱能的開發(fā)利用，土壤溫度呈緩慢上升的趨勢，且10 a內(nèi)各點處升溫均不超過0.5 ℃，熱堆積問題得到有效緩解。

3.2.2 方案2模擬結(jié)果與分析

已知Ⅰ～Ⅴ區(qū)需加熱生活用水的總面積為173.23 km2，對各計算分區(qū)單孔換熱量分別按5%損失計算，將生活用水從15 ℃加熱到50 ℃，獲得各區(qū)加熱生活用水量詳見表4。通過模擬計算，保持地埋管地埋管間距為5 m，增加春秋季加熱生活用水1 447 826.19 m3/d的運行方案下，熱堆積問題得到緩解。各監(jiān)控點10 a后100 m以上淺地層平均溫度增幅見表5，淺層地熱能可開采資源量見表6，DW6孔處運行10 a的溫度歷時曲線見圖9。

表4 方案2春秋季各區(qū)加熱生活用水量 Table 4 Heating water consumption in each district in spring and autumn in scheme 2 運行時間Running time加熱水量Heating water consumption /(m3·d-1) Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)Ⅳ區(qū)Ⅴ區(qū)合計Total 秋季Autumn11月157 798413 235339 322261 266276 2051 447 826 春季Spring3月157 798413 235339 322261 266276 2051 447 826 4月157 798413 235339 322261 266276 2051 447 826 5月157 798413 235339 322261 266276 2051 447 826

表5 方案2監(jiān)控點溫度變化值 Table 5 Temperature change values of observe points in sheme 2 計算分區(qū)Partition地埋管間距Spacing of buried pipe/m監(jiān)控點編號Monitory point No.地層溫度增幅Formation temperature increase/℃均值Mean value/℃ Ⅰ區(qū)510.140.26 20.39 Ⅱ區(qū)530.360.31 40.25 Ⅲ區(qū)550.330.29 60.25 Ⅳ區(qū)570.220.27 80.32 Ⅴ區(qū)590.280.23 100.17

表6 方案2淺層地熱能可開采資源量 Table 6 Shallow geothermal energy recoverable resources in scheme 2 計算分區(qū)Partition面積Proportion/km2夏季總排熱量Total summer heat discharge/kW秋季總?cè)崃縏otal autumn heat absorption/kW冬季總?cè)崃縏otal winter heat absorption/ kW春季總?cè)崃縏otal spring heat absorption/ kW Ⅰ區(qū)24.34484 311.6760 255.45430 174.1260 255.45 Ⅱ區(qū)41.78809 232.13159 761.57605 509.36159 761.57 Ⅲ區(qū)36.33889 268.92130 489.79750 238.68130 489.79 Ⅳ區(qū)36.53631 064.91100 121.91512 168.62100 121.91 Ⅴ區(qū)34.25712 711.50105 606.96606 147.68105 606.96 合計Total173.233 526 589.13556 235.692 904 238.45556 235.69

圖9 DW6孔運行10 a的溫度歷時曲線 Fig.9 Earth temperature diachronic curve of DW6 after operating 10 years

從計算結(jié)果可知，地埋管換熱方式淺層地熱能開采10 a后，由于增加春秋季加熱生活用水，年內(nèi)地層溫度幾乎無增幅；由監(jiān)控點溫度多年歷時曲線圖9可知，夏季制冷期內(nèi)監(jiān)控點處土壤溫度逐年上升，秋季、冬季、春季供熱期內(nèi)監(jiān)控點處土壤溫度逐漸下降，隨著淺層地熱能的開發(fā)利用，土壤溫度呈緩慢上升的趨勢，且10 a內(nèi)各點處的溫度上升平均不超過0.5 ℃，熱堆積問題得到有效緩解。

測試設(shè)備使用了超寬帶厘米波設(shè)備，具有成本低、輻射小和便于推廣的特點.實驗結(jié)果驗證可以準確識別介電常數(shù)差別較大的液體危險品，如汽油和水.算法為微波檢測液體危險品提供了一個新的研究方向.算法存在對介電常數(shù)相似的樣品識別率低、散射曲線平滑程度特征散布較大這兩個難點，今后將從分析樣本的分布、改進訓(xùn)練算法、隔離外部干擾源等方面做進一步研究.

本文選取國際原油市場比較有代表性的WTI原油現(xiàn)貨價格與1月、2月、3月和4月期的期貨價格的月度數(shù)據(jù)為研究對象，為消除時間序列可能存在的異方差，對現(xiàn)貨價格和期貨價格取自然對數(shù)，分別用lnS、lnF(1)、lnF(2)、lnF(3)和lnF(4)表示，數(shù)據(jù)來源于國際能源信息署，所使用的樣本數(shù)據(jù)的時間跨度為1986年1月到2013年5月，共329個觀測。對相應(yīng)合約在某個給定日并無交易的情形，遵循Alquist和Kilian(2010)的方法，將最接近月度最后一個交易日的相應(yīng)期貨價格作為其月度值。表1給出WTI現(xiàn)貨與期貨的描述性統(tǒng)計量和單位根檢驗結(jié)果。

3.2.3 方案3模擬結(jié)果與分析

將冷卻塔與換熱孔共同作為冷卻源供機組運行，經(jīng)過冷卻塔冷卻的水，進入地埋管換熱器，降低了換熱器的冷凝溫度，實現(xiàn)兩者的互補，提高整個系統(tǒng)的運行效率。保持地埋管間距5 m、冷卻塔與地埋管換熱孔數(shù)量一致，冷卻塔在6～8月開機，并且與地埋管換熱器每日同時運行10 h的工況下，忽略換熱器與地下埋管之間管路的熱量損失。根據(jù)巖土體現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗及地溫監(jiān)測資料，夏季的換熱溫差一般為13.24～14.27 ℃，冬季的換熱溫差一般為10.73～11.76 ℃；根據(jù)《江蘇省地源熱泵工程技術(shù)規(guī)程》（DGJ32/TJ89－2009），地源熱泵系統(tǒng)的制冷工況：空調(diào)側(cè)出水溫度為7～12 ℃，冷卻水溫差為5 ℃，因此Ⅰ～Ⅴ區(qū)夏季各區(qū)地埋管及冷卻塔冷卻水溫詳見表7。各監(jiān)控點10 a后100 m以上淺地層平均溫度增幅及可開采資源量見表8，DW6孔處運行10 a的溫度歷時曲線見圖10。

表7 方案3下Ⅰ～Ⅴ區(qū)地埋管及冷卻塔冷卻水溫 Table7 Cooling water temperature of buried pipe and cooling tower in Ⅰ～Ⅴarea in scheme 3 分區(qū)編號Number分區(qū)面積Proportion/km2換熱溫差夏季Summer heat exchange temperature difference/℃換熱溫差冬季W(wǎng)inter heat exchange temperature difference /℃冷卻塔夏季冷卻溫度Cooling tower summer cooling temperature/℃ Ⅰ區(qū)24.3413.2411.764.35 Ⅱ區(qū)41.7814.2710.736.12 Ⅲ區(qū)36.3313.5611.444.87 Ⅳ區(qū)36.5313.8011.205.29 Ⅴ區(qū)34.2513.5111.494.80 合計Total173.23———

圖10 方案3下DW6孔運行10 a溫度歷時曲線 Fig.10 Earth temperature diachronic curve of DW6 after operating 10 years in scheme 3

表8 方案3監(jiān)控點溫度變化及可開采資源量 Table 8 Temperature change value and recoverable resources in scheme 3 計算分區(qū)Partition地埋管間距Spacing of buried pipe/m監(jiān)控點編號Monitory point no.地層溫度增幅Formation temperature increase/℃均值Mean value/℃夏季總排熱量Total summer heat discharge/kW冷卻塔夏季總散熱量Summer total heat dissipation of cooling tower/kW冬季總?cè)崃縏otal winter heat absorption /kW Ⅰ區(qū)510.230.32484 311.67159 200.40430 237.27 20.41 Ⅱ區(qū)530.320.26809 232.13348 168.73607 176.35 40.20 Ⅲ區(qū)550.310.31889 268.92319 667.45750 197.07 60.31 Ⅳ區(qū)570.220.26631 064.91241 990.93512 153.66 80.30 Ⅴ區(qū)590.310.24712 711.50253 016.90606 176.37 100.18

由計算結(jié)果可知，地埋管換熱方式淺層地熱能開采10 a后，由于采用冷卻塔與地埋管混合式換熱系統(tǒng)，彌補了地埋管單獨排熱導(dǎo)致熱堆積的缺陷，保證溫度有較好的恢復(fù)，10 a內(nèi)地層溫度幾乎無增幅；由監(jiān)控點溫度多年歷時曲線圖10可知，夏季制冷期內(nèi)監(jiān)控點處土壤溫度逐漸上升，冬季供暖期內(nèi)監(jiān)控點處土壤溫度逐漸下降，隨著淺層地熱能的開發(fā)利用，土壤溫度呈緩慢上升的趨勢，且10 a內(nèi)各點處溫度上升平均不超過0.5 ℃，熱堆積問題得到有效緩解。

這類現(xiàn)象還有很多，比如 “閉月羞花”中的“閉”和“羞”、“打草驚蛇”中的“驚”、“楚楚動人”中的“動” 、“驚心動魄”中的“驚”和“動”、“感人肺腑”中的“感”、“翻江倒?！敝械摹胺焙汀暗埂?、“除舊布新”中的“除”和“布”都用作使動。

3.3 結(jié)果分析

從上述模擬計算結(jié)果可以看出，研究區(qū)如不加輔助設(shè)施，采用5 m的地埋管間距開采淺層地熱能會導(dǎo)致熱堆積問題，嚴重影響淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用，必須增大地埋管的間距，Ⅰ～Ⅴ開發(fā)利用分區(qū)的地埋管間距分別要增至18，23，17，20，20 m，才能避免熱堆積問題，實現(xiàn)淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用。

但在實際開發(fā)利用過程中會受到開發(fā)利用場地條件的限制，無法采取大間距的地埋管方式來實現(xiàn)淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用。目前江蘇南部地區(qū)常用的地埋管間距一般為5 m左右，因此研究區(qū)要實行淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用必須在地埋管間距5 m的基礎(chǔ)上，增加輔助設(shè)施，如方案2、3采用加熱春秋季生活用水或增設(shè)地面冷卻塔的辦法來消除熱堆積問題，實現(xiàn)淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用。

4 結(jié) 論

1）基于地下水滲流與熱泵運移原理建立的地下水非穩(wěn)定滲流和熱量運移模型，可以準確模擬預(yù)測地埋管地源熱泵三維耦合數(shù)值模型系統(tǒng)不同工況運移過程中的熱平衡發(fā)展趨勢，確定出淺層地熱能的可持續(xù)性開發(fā)利用方案。

2）進行地埋管換熱方式淺層地熱能開發(fā)時，換熱系統(tǒng)夏季開機122 d、冬季開機90 d、每天運行10 h，選?、瘛鯀^(qū)地埋管間距分別為18，23，17，20，20 m，可以有效緩解地溫場熱堆積問題。

2）裂縫寬度大于0.3mm的環(huán)向裂縫，屬結(jié)構(gòu)受力裂縫。但隧道結(jié)構(gòu)為拱形截面受力，此類裂縫不影響結(jié)構(gòu)的安全性，采用環(huán)氧樹脂漿抹面封閉，滲漏嚴重的，先排水后封閉處理即可。

3）進行地埋管換熱方式淺層地熱能開發(fā)時，保持地埋管間距為5 m，春季、秋季分別對生活用水加熱92、31 d，每天運行10 h，將生活用水從15 ℃加熱到50 ℃，可以有效緩解地溫場熱堆積問題。

4）進行淺層地熱能開發(fā)時，地埋管換熱方式為保持地埋管間距5 m，換熱系統(tǒng)夏季開機122 d、冬季開機90 d、每天運行10 h，冷卻塔夏季開機122 d、每天運行10 h，可以有效緩解地溫場熱堆積問題。

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Heat exchange scheme simulation optimization for ground source heat pump system with buried pipes by thermal equilibrium analysis

Luo Zujiang, Du Jingjing

(School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

Abstract: Since the 21st century, the development and utilization of ground source heat pump in shallow geothermal energy is carried out in China successively. But it is still in its infancy, and there is a general lack of scientific design and planning, the problem of heat accumulation occurred in the process of application of ground source heat pump system, seriously affecting the sustainable development and utilization of shallow geothermal energy. In order to guarantee shallow geothermal energy sustainable development and utilization and avoid the problem of heat accumulation during the running period of ground-source heat pump in the downtown of Danyang, a three-dimensional coupled numerical model of groundwater unsteady seepage and heat transfer was established and applied to the demonstration project of the buried pipe heat pump system in Danyang, Jiangsu Province. The model was based on the principle of groundwater seepage and heat transport, combined with future ground-source heat pump system operating conditions, forecasting the thermal equilibrium development trend of underground temperature field. Three schemes were designed on this basis. Scheme 1 is to adjust heat transfer hole spacing. By simulation and calculation, we changed the minimum heat transfer 5 m hole spacing to 18, 23,17, 20, 20 m inⅠ-Ⅴarea respectively, and results showed that due to the increase of heat transfer hole spacing through mining buried pipe shallow geothermal energy for ten years, the rise in formation temperature decreased. Scheme 2 is to keep the heat exchange hole spacing constant, and heating spring and autumn living water. The total area of heating domestic water in study area was 173.23 km2, single hole heat exchange was calculated with 5% heat loss and heating water from 15 to 50 ℃. By the simulation and calculation, keeping 5 m transfer hole spacing, the heating water amount reach 1 447 826.19 m3/d in spring and autumn with the development and utilization of shallow geothermal energy. Mining 10 years, due to increasing heating water in spring and autumn, there is little increase in formation temperature during the year. The temperature of soil in winter, autumn and spring increases slowly, the problem of heat accumulation is alleviated. Scheme 3 is to keep the heat exchange hole spacing constant and add the cooling tower auxiliary heat exchange hole for summer heat discharge. The cooling tower is in accordance with the number of heat exchange holes in buried pipes and keeping 5 m transfer hole spacing, running 10 hours a day, let water through cooling towers of different cooling temperatures. Mining 10 years, the mixed heat transfer system with cooling tower and buried pipe can eliminate the heat accumulation caused by separate buried pipe system, ensure a good temperature recovery. Due to the limit of ground source heat pump engineering site, Scheme 1 can’t be used, heating water in spring and autumn or adding cooling tower auxiliary heat exchange hole for summer heat discharge can be adopted in the actual project. The three-dimensional coupled numerical model of groundwater unsteady seepage and heat pump is an effective way to optimize and determine the sustainable development and utilization plan of ground source heat pump for shallow geothermal energy.

Keywords: heat pump systems; models; heat balance; heat accumulation; shallow geothermal energy

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收稿日期：2018-02-27

修訂日期：2018-05-31

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局江蘇省合作項目（12120114023101）

作者簡介：駱祖江，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水文地質(zhì)等方面研究與教學(xué)工作。Email：luozujiang@ sina.com

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.030

中圖分類號：TU111; TK52

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2018)-13-0246-09