單井循環(huán)換熱地能采集井的計算模型

肖天輝 蘇柳文 劉海明

1 承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院

2 中國科學(xué)院高能物理研究所

3 天津東麗湖能源科技有限公司

0 引言

淺層地能作為一種清潔、廉價、豐富且可再生的新型環(huán)保能源，利用前景廣闊。開發(fā)利用淺層地能對構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]?！兜?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出要求：“到2020 年，各類可再生能源供熱和民用燃料總計約替代化石能源1.5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中淺層地?zé)崮転榻ㄖ┡每偭窟_(dá)到4200 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤”[2]。

目前，開發(fā)利用淺層地下熱能為建筑物供熱有三種形式：地下水源熱泵，地源熱泵和地能熱泵環(huán)境系統(tǒng)。地能熱泵環(huán)境系統(tǒng)以單井循環(huán)換熱地能采集井為核心。單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)是一項由我國原創(chuàng)的、先進的并且適用于多種地質(zhì)條件的淺層地能采集技術(shù)。它以循環(huán)水為介質(zhì)采集地下淺層溫度低于25 ℃的熱能。不消耗也不會污染地下水，對地下水是安全的[3]。

另外，由于近些年來淺層地能技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，對地下水的運動產(chǎn)生人為干預(yù)，自然會提出對地質(zhì)環(huán)境是否產(chǎn)生某些方面影響的疑問。于是，從理論方面對此類問題進行分析和論證，就顯得非常重要并具有深刻意義了。

1 研究項目概況

承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院本部院區(qū)位于河北省承德市雙橋區(qū)，占地40 畝，住院樓建筑面積4.2 萬m2。場區(qū)內(nèi)地勢平坦，最大標(biāo)高值333.02 m，最小標(biāo)高值332.32 m，地表相對高差0.70 m。屬于大陸季風(fēng)氣候，冬長而寒冷，夏短而炎熱，多年平均氣溫9.1 ℃，最冷月（1 月）平均氣溫-9.4 ℃，最熱月（7 月）平均氣溫24.4 ℃。院區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)自下而上結(jié)構(gòu)如表1 所示。地下水主要為第四系孔隙型承壓水，承壓含水層總厚度33 m，粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)介于0.1×10-2～5.6×10-2m/d 之間，圓礫層滲透系數(shù)介于120～200 m/d 之間。主要靠大氣降水及武烈河補給，排泄方式為地下徑流。

表1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

住院樓的熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)冬季采暖和生活熱水供熱量1350 kW。生活熱水機組名義制熱量1170 kW（一用一備），配合屋頂太陽能系統(tǒng)全年運行?？照{(diào)機房熱泵機組名義制冷/制熱量1420/1623 kW（一用一備），冬季配合市政大供熱運行，過渡季調(diào)節(jié)室內(nèi)冷熱負(fù)荷。采用單井循環(huán)換熱地能采集系統(tǒng)，設(shè)計9口單井循環(huán)換熱地能采集井，沿院區(qū)西、南兩側(cè)車道均勻布置。井深85 m，篩管位置為11.8～35.0 m 和40.0～76.7 m（管底為0 m 起始點），單口井設(shè)計循環(huán)水量80 m3/h。

2 模型建立

2.1 模擬軟件選擇

隨著計算機技術(shù)發(fā)展與Modflow、Feflow、GMS等地下水?dāng)?shù)值模擬軟件功能模塊的豐富，對淺層地能的水熱運移模擬研究逐漸增多。如Martin 等人于2001年利用MT3DMS 軟件對位于開曼群島封閉式地源熱泵系統(tǒng)的熱運移進行了數(shù)值模擬和分析研究[4]。本文選用Modflow 和Seawat 有限差分（FDM）法數(shù)值模擬軟件，目的是將三維含水層系統(tǒng)劃分為三維網(wǎng)格的形式，將各單元離散化，三維坐標(biāo)分別表示含水層的行間距、列間距、含水層厚度，系統(tǒng)采用單元中心法，每個元素的水頭則對應(yīng)該節(jié)點處的水頭值[5]。通過建立模型對單井循環(huán)換熱地能熱泵系統(tǒng)的地下水流場、溫度場進行模擬，給出了模擬結(jié)果，并做了簡要分析。

2.2 模擬參數(shù)選取

根據(jù)項目所在地實際水文地質(zhì)情況，6 號井與其它井間距較大且地勢平坦、使用最頻繁，作為本次研究對象。設(shè)定地下初始溫度15 ℃，采暖季熱泵機組回水溫度1 ℃，水量80 m3/h。采集井深85 m，取水段篩管11.8～35.0 m，回水段篩管在40.0～76.7 m，其余為實管。所在地建筑密度大、地面多為水泥瀝青硬化路面，因此，設(shè)定補給率為0 mm/年，模擬時間為100 天，其他水文地質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 模型水文地質(zhì)參數(shù)

3 水流場模擬結(jié)果分析

熱泵系統(tǒng)在制熱工況下連續(xù)運行100 d 后，地下水流場發(fā)生明顯變化。從圖1 可以看出，取水段水頭明顯下降，底部水頭降至36.3 m，回灌段水頭上升0.3 m。從圖2 可以看出，地下水從取水段被抽出后，進入熱泵機組換熱后又返回至上部回水區(qū)域，并不斷向周邊及下部取水方向運移，最終回到取水區(qū)域。系統(tǒng)運行過程中，地下水在封閉的管路內(nèi)循環(huán)流動，流量未曾減少。水流在向取水區(qū)域運移過程中不斷與地下巖土體換熱，實現(xiàn)了循環(huán)換熱與同層回灌。

圖1 系統(tǒng)運行100d 水頭等勢線

圖2 系統(tǒng)運行100d 水流矢量

4 溫度場模擬結(jié)果分析

通過對地下溫度場的模擬，如圖3、圖4 所示，地層的初始溫度為15 ℃，地下水經(jīng)過熱泵換熱后回水溫度為10 ℃，造成了回水段區(qū)域周邊溫度的下降。為更好的刻畫溫度場影響范圍，設(shè)定溫差1 ℃為界限值。因此，該系統(tǒng)溫度場影響半徑大約為50 m。由于采集井在35～40 m 設(shè)計為密封段，密封嚴(yán)密性能良好，所在地層滲透能力較弱，系統(tǒng)連續(xù)運行100d 后，取水段地層溫度仍然穩(wěn)定在15 ℃。因此，回水并未對取水區(qū)域地下溫度場造成影響，沒有發(fā)生熱貫通現(xiàn)象?；厮魏Y管設(shè)置在40～76.7 m，由圖3 所示，回水段溫度場在45～48 m 斷開。經(jīng)過對地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為原因是45～48 m 區(qū)域的泥層的滲透能力弱，回水對該區(qū)域溫度影響范圍小。由此可證明：地下水的熱對流是影響地能熱泵系統(tǒng)地下溫度場的主要因素，熱傳導(dǎo)對該系統(tǒng)的地下溫度場影響有限。

圖3 系統(tǒng)運行100d 地下溫度場顏色分區(qū)圖

圖4 系統(tǒng)運行100d 地下溫度場等值線圖

5 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析

2018 年12 月7 日至2019 年3 月16 日對該工程地能熱泵系統(tǒng)的供水溫度、回水溫度進行了持續(xù)監(jiān)測。如圖5 所示，系統(tǒng)初始供水溫度為16.2 ℃，運行后供水溫度開始下降，溫度持續(xù)在11～15 ℃之間波動。供水平均溫度為12.98 ℃，回水平均溫度為8.33 ℃，平均溫差4.66 ℃，系統(tǒng)循環(huán)水量穩(wěn)定在78 t/h。通過觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)初始供水溫度在12 月10 日從16.2 ℃開始下降，12 月17 日系統(tǒng)供水溫度降至11.2 ℃，至12 月31日系統(tǒng)供水溫度開始回升。針對這一溫度變化做了仔細(xì)研究分析。承德市2018 年12 月份氣溫數(shù)據(jù)（圖6）顯示，2018 年12 月中旬由于冷空氣南下，承德市發(fā)生了明顯降溫現(xiàn)象。12 月12 日最高氣溫由12 月8 日的10 ℃降到了3 ℃。較低氣溫持續(xù)了20 天后，12 月31日最高氣溫回升到8 ℃。由此可見系統(tǒng)的供水溫度變化趨勢與室外氣溫保持一致。經(jīng)過分析認(rèn)為：室外氣溫下降導(dǎo)致建筑物熱負(fù)荷增加，熱泵機組長時間滿負(fù)荷工作，回水持續(xù)保持在較低溫度，最終導(dǎo)致了系統(tǒng)供水溫度的下降。由于供水溫度隨著回水溫度下降而迅速變化，可以證明該工程地能采集井發(fā)生了瞬變熱貫通現(xiàn)象[6]。初步分析可能原因為：地能采集井密封段封堵不嚴(yán)、濾料規(guī)格大、填充不緊密等因素，造成了地能采集井的熱貫通問題。由于，供水溫度沒有持續(xù)下降，而是穩(wěn)定在11～15 ℃之間，因此該地能采集井未發(fā)生大范圍的熱貫通現(xiàn)象。

圖5 測試時間內(nèi)供回水溫度

圖6 承德2018 年12 月份氣溫走勢

6 結(jié)語

本文根據(jù)住院樓項目實際地質(zhì)情況，利用Modflow 軟件建立地下水抽取與回灌技術(shù)分析模型，對單井循環(huán)換熱地能采集系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)進行了對比分析，由此得知：地下水熱對流是影響地能熱泵系統(tǒng)地下溫度場的主要因素，其次是熱傳導(dǎo)對該系統(tǒng)地下溫度場的影響。如果經(jīng)過科學(xué)合理的前期設(shè)計，單井循環(huán)換熱地能采集技術(shù)可以實現(xiàn)同層回灌、避免熱貫通的問題?？傊撎椎啬懿杉疅岜檬┕ぜ夹g(shù)的成功應(yīng)用，對承德地區(qū)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)以及結(jié)構(gòu)地質(zhì)安全維護具有一定積極的推動作用。