嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵運(yùn)行方式適宜性研究★

王松慶 賀士晶

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵運(yùn)行方式適宜性研究★

王松慶 賀士晶

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

基于顆粒遷移理論，以嚴(yán)寒地區(qū)某工程為例，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵采用不同運(yùn)行方式對(duì)含水層參數(shù)的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明在嚴(yán)寒地區(qū)采用變流量運(yùn)行方式對(duì)含水層參數(shù)的影響較小，宜在嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵工程中得到推廣。

嚴(yán)寒地區(qū)，地下水源熱泵，運(yùn)行方式

0 引言

地下水源熱泵由于其節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近些年來在我國得到了較為廣泛的應(yīng)用。Freedman等[1]針對(duì)地下水源熱泵應(yīng)用對(duì)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；張慶等[2]對(duì)天然冷源對(duì)地下水源熱泵運(yùn)行的影響進(jìn)行了研究；徐偉等[3]對(duì)地下水源熱泵在我國應(yīng)用的適宜性問題進(jìn)行了分析；王現(xiàn)國等[4]利用HST3D軟件分析了地下水源熱泵運(yùn)行期間水熱的變化特征；張超等[5]對(duì)熱回收型地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了研究。以上研究主要是從地下水源熱泵運(yùn)行性能等方面進(jìn)行研究。但是由于地下水源熱泵需要的水源來自地下空間，不能忽視地下水源熱泵運(yùn)行對(duì)地下空間的影響，應(yīng)有效避免由于長(zhǎng)期抽水而引起的取水系統(tǒng)失效問題而造成地下水源熱泵系統(tǒng)無法使用的嚴(yán)重后果。本文以顆粒遷移理論為基礎(chǔ)，選取嚴(yán)寒地區(qū)某辦公建筑為案例，對(duì)地下水源熱泵不同運(yùn)行方式的適應(yīng)性進(jìn)行研究，討論不同運(yùn)行方式對(duì)含水層的影響，為嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵工程合理選擇運(yùn)行方式提供參考。

1 顆粒遷移理論

1.1 顆粒遷移數(shù)學(xué)模型

顆粒遷移問題產(chǎn)生的主要原因是由于當(dāng)滿足某些條件時(shí)，含水層顆粒會(huì)脫離含水層骨架隨著地下水一起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顆粒遷移問題。顆粒遷移問題數(shù)學(xué)模型的建立主要基于表征體元法[7，8]。數(shù)學(xué)模型如式(1)～式(3)所示[8，9]。

(1)

(2)

(3)

其中，φ為孔隙率；c為顆粒濃度；ρs為固體骨架的密度，kg/m3；v為滲透速度，m/s；m為侵蝕率，kg/(m3·s)，m是孔隙率，顆粒濃度等參數(shù)的函數(shù)[9]，即：

(4)

其中，λ為侵蝕參數(shù)，1/m，對(duì)于同一含水層可看作是常數(shù)；vcr為臨界滲透速度，m/s。

1.2 顆粒遷移對(duì)含水層參數(shù)的影響

地下水源熱泵取水井的單井取水量可通過地下水動(dòng)力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)求得[10]：

Q=KJA

(5)

v=KJ

(6)

其中，Q為取水量，m3/s；K為滲透系數(shù)，m/s。

2 變流量運(yùn)行方式研究

在夏季和冬季工況時(shí)，地下水源熱泵所需總水量可分別按式(7)和式(8)計(jì)算[11]。

(7)

(8)

其中，GS1為夏季制冷工況所需地下水量，m3/h；QL為夏季熱泵機(jī)組總制冷量，kW；Δts為地下水進(jìn)出熱泵機(jī)組溫差，℃；EER為夏季熱泵機(jī)組的能效比；GS2為冬季制熱工況所需地下水量，m3/h；QR為冬季熱泵機(jī)組總制熱量，kW；COP為冬季熱泵機(jī)組的性能系數(shù)。

3 案例研究

本文采用定溫差控制法作為控制方法。假設(shè)冬夏季進(jìn)出熱泵機(jī)組水的溫差均為5 ℃。水量調(diào)節(jié)范圍選取為50%～100%，調(diào)節(jié)幅度為±10%，與空調(diào)負(fù)荷率成正比關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷率小于50%時(shí)，按照空調(diào)負(fù)荷率50%選取。本文地下水源熱泵工程選取嚴(yán)寒地區(qū)沈陽市某辦公建筑，對(duì)該建筑全年動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算和分析，選取兩個(gè)不同類型的含水層進(jìn)行案例研究，討論嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵不同運(yùn)行方式對(duì)含水層參數(shù)變化特性的影響。通過計(jì)算分析可知，冬夏季動(dòng)態(tài)負(fù)荷的最大值分別為夏季764.12 kW，冬季613.3 kW，空調(diào)負(fù)荷累計(jì)時(shí)間頻數(shù)如表1所示。冬夏季所需水量分別為：GS1=160 m3/h；GS2=79.16 m3/h。

表1 空調(diào)負(fù)荷累計(jì)時(shí)間頻數(shù) %

本案例選用3口完整井，單井取水量為53.33 m3/h，假設(shè)含水層各向同性均質(zhì)，含水層厚度為25 m。地下水源熱泵機(jī)組夏季運(yùn)行時(shí)，其最小取水量為0.5GS1。該水量大于冬季需要的總水量GS2。因此地下水源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)，總水量可選取為0.5GS1。假設(shè)熱泵機(jī)組運(yùn)行抽取的地下水可以100%回灌。不同含水層相關(guān)參數(shù)見表2。

首先，對(duì)不同運(yùn)行方式對(duì)井壁處孔隙率的影響進(jìn)行分析。由圖1可知，對(duì)于案例1，分別采用定流量運(yùn)行方式與變流量運(yùn)行方式，地下水源熱泵運(yùn)行5年后，井壁孔隙率與初始值相比，分別增大6.48%和3.39%，變流量運(yùn)行方式對(duì)含水層孔隙率的影響為定流量運(yùn)行方式的52%。對(duì)于案例2，分別采用定流量運(yùn)行方式與變流量運(yùn)行方式，地下水源熱泵運(yùn)行5年后，井壁孔隙率與初始值相比，分別增大10.97%和5.84%，變流量運(yùn)行方式對(duì)含水層孔隙率的影響僅為定流量運(yùn)行方式的53%。可見，即使都處于滲透速度大于臨界滲透速度的最為不利的情況，與地下水源熱泵采用定流量運(yùn)行方式相比，變流量運(yùn)行方式可以有效減少熱泵運(yùn)行給孔隙率造成的影響。

表2 不同含水層相關(guān)參數(shù)

其次，對(duì)不同工況運(yùn)行方式對(duì)井壁處滲透系數(shù)的影響進(jìn)行分析。由圖2可知，對(duì)于案例1，采用定流量運(yùn)行方式與變流量運(yùn)行方式相比，地下水源熱泵運(yùn)行5年后，井壁滲透系數(shù)與初始值相比，分別增大32.1%和15.81%，變流量運(yùn)行方式對(duì)含水層孔隙率的影響為定流量運(yùn)行方式的49%。對(duì)于案例2，采用定流量運(yùn)行方式與變流量運(yùn)行方式相比，地下水源熱泵運(yùn)行5年后，井壁孔隙率與初始值相比，分別增大62.64%和29.82%，變流量運(yùn)行方式對(duì)含水層孔隙率的影響僅為定流量運(yùn)行方式的48%。

綜上可見，在嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵采用變流量運(yùn)行方式與

定流量方式相比，其對(duì)含水層參數(shù)(如孔隙率、滲透系數(shù)等)的影響程度大大減少，有利于保持地下空間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以有效預(yù)防取水系統(tǒng)失效問題的發(fā)生，是一種“安全性”較高的運(yùn)行方式。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)的地下水源熱泵工程宜采用變流量運(yùn)行方式，應(yīng)在工程上得到推廣和應(yīng)用。

4 結(jié)語

1)在嚴(yán)寒地區(qū)地下水源熱泵采用變流量運(yùn)行方式對(duì)含水層參數(shù)的影響較小，可以有效避免地下水源熱泵取水系統(tǒng)失效問題的發(fā)生；2)在嚴(yán)寒地區(qū)的地下水源熱泵工程宜采用變流量運(yùn)行方式，應(yīng)在工程上得到推廣和應(yīng)用。

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Analysis on suitability of operation modes with groundwater source heat pump in severe cold region★

WANG Song-qing HE Shi-jing

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the theory of particle migration, the analysis on variation characteristics of aquifer parameters, induced by groundwater source heat pump operation under different operation mode, was carried out by a case study in severe cold region. The present study, compared with the constant flow operation, indicates that the influence on the variations of aquifer parameters under variable flow operation is smaller in severe cold region. The variable flow operation should be popularized to groundwater source heat pump projects in severe cold region.

severe cold region, groundwater source heat pump, operation mode

1009-6825(2014)03-0138-02

2013-11-14★：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：DL11BB30)；黑龍江省教育廳科學(xué)科技研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：12533012)

王松慶(1982- )，男，博士，講師； 賀士晶(1983- )，女，博士，講師

TU833

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