地下水地源热泵系统地下能量变化数值模拟研究

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1、第24卷第4期资源环境与工程‘2010年8月ResourcesEnvironment＆EngineeringAug．，2010地下水地源热泵系统地下能量变化数值模拟研究刘红卫，徐贵来，李星(1．武汉地质工程勘察院，湖北武汉430051；2．中国地质大学数理学院，湖北武汉430074)摘要：地下水地源热泵系统运行时将地上的能量注入地下，这个能量在地下运移扩散的过程和路径非常复杂，它与岩土体特征、地下水的流动状态、空调系统运行过程等密切相关。采用有限元分析方法建立地温变化数值模型，在平面和剖面上模拟地下温度场变化，反映出地下能量的变化和运移特征。模型优化后可以为同类项目

2、前期论证、工程设计、系统高效运行管理和监测提供技术支撑。关键词：地源热泵系统；有限元；能量变化；数值模拟中图分类号：P641．2文献标识码：A文章编号：1671—1211(2010)04—0408—04由于地下储热、导热、扩散、影响范围灰小、地温长短期0引言变化与平衡等对地下环境、系统能效高低、可持续运行空调系统冷热源属性和变化特征是暖通空调设计等影响大，所以研究地下能量的传递、扩散的规律十分的依据，目前对应用最广泛的风冷空调在空气中换热必要。的规律已有大量研究，并确定了相应的环境气候设计本文尝试以有限元分析为基础，结合某项目情况指标。地源热泵系统技术的核心是利用浅

3、层地温能，及该地域地质特征，建立数值模型，模拟和研究当地面了解和掌握地下岩土层温度变化及能量变化规律，可以上的能量(冷、热)注入后，地下空间内地温变化和以为设计提供依据，有助于更好地开发利用浅层地温能量扩散的规律。能资源。目前，地埋管地源热泵系统地下换热规律研1地温场数学模型建立究开展得相对比较多，而地下水地源热泵系统地下换热和能量扩散规律研究的很少。地下水地源热泵系统地温场温度扩散规律受注入地下水地源热泵系统运行后，地上地下产生能量的冷热量大小、地层(含水层)特性、地下水径流及周循环，原地温场的平衡被打破，地温不再是设计时的恒边温度环境条件、热源井井群结构及布置、

4、热源井使用定值，一定地下空间范围内受注入能量的影响，开始发功能转换、系统运行过程等诸多因素影响，是一个连续生变化，这种变化由于流动的地下水在抽水井和回灌的动态过程。我们将错综复杂的实际问题简化、抽象井之间直接、快速地运移而相对更迅速、剧烈的发生。为合理的数学模型⋯。回灌井取水井回灌弗回灌并取水井回灌井o⋯⋯⋯⋯一O_⋯⋯⋯⋯_O粉砂细砂枯出厶2细砂中砂oOO回灌井取水井回灌井图1热源井平面布置图图2某项目地质剖面图Fig．1LayoutoftheheatsourcewellsFig．2Geologicalprofileofproject收稿日期：2010—01—28

5、；改回日期：2010—04—21．基金项目：本项目受武汉市科技局科研项目“地源热泵高效换热及系统成套技术研究”(200760323107)资助。作者简介：刘红卫(1966一)，男，高级工程师，水文地质专业，从事岩土工程、水文地质、地源热泵技术研究工作。E—mail：lhw6688@sohu．conl第4期刘红卫等：地下水地源热泵系统地下能量变化数值模拟研究1．1某项目热源井布置及地质剖面石，底部为泥岩，详见图1、图2。某地下水地源热泵项目。共有6口热源井，两抽四1．2热演化数学模型灌，地层结构上部为填土及粘性土，中部为砂层和卵砾相应的地温场热演化数学模型为：f()+

6、(aT)一【击()+Oy(vyT)]+F=OTj=Vo(，，￡)i一0=(，Y)式中：T=T(，Y，t)为温度(oC)；￡为时间(s)；k为热导率细砂层划分为4层，中粗砂层划分为4层，卵砾石层划(W／m·oC)；p为密度(kg／m)，c为比热(J／kg·oC)，分为2层，共l9层。={，)为流体速度(m／s)；F为热源(W／m)；2地温场热扩散数值模拟(，。，t)为边界温度(oC)，(，)为初始时刻的温度。2．1水平平面地温场模拟该模型适用于非均匀介质各向同性的热传递根据取水井、回灌井从地下提取或输入热量的不过程。同，模拟出二维水平平面温度场变化等值线图，见1．3模

7、拟边界条件及参数图3。在有限元模拟过程中，假定开始时刻各点温度都相等，例如都等于17cC。随着时间的延续，边界温度仍然保持17cc，但在抽水井以及注水井处，有热量流入或流出，原有地温场的平衡被打破，地温场中各点温度随时问的延续而发生变化。因为地下介质在不同地层的性质不同，所以其物理参数也有所不同，该项目模拟取平均热导率在1．729(W／m·oC)左右，平均密度近似为1800kg／m，平均比热则近似为l400(J／kg·℃)。模拟时间1年，时问间隔为5d，计算网格点处的温度，然后以每月第一天的温度数据绘制出温度等值线图。1．4二维水平平面模型和二维垂直剖面模型首先