地下水源熱泵系統建設與運行對地下水溫度影響分析

戈建民，王亞彬

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；2.天津市地質調查研究院，天津300191）

地下水源熱泵系統建設與運行對地下水溫度影響分析

戈建民1，王亞彬2

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；2.天津市地質調查研究院，天津300191）

采用數值模擬方法，經分析發現天津地區地下水源熱泵系統在短期內對局部區域地下水溫度變化有一定影響，長期影響不大。系統對井冬夏互為采灌，形成相對冷熱水體，反季節使用具有一定儲能作用。

地下水源熱泵；水溫；數值模擬；儲能

截至2012年，天津市建成的地下水源熱泵系統共61家，井數306眼。按照“以灌定采”“采灌平衡”的原則，地下水源熱泵系統運行過程中的采水量不應超過回灌量。筆者采用數值模擬的方法，分析地下水源熱泵系統運行對地下水溫度產生的影響。

1 數值模擬

以天津市塘沽區河管所地下水源熱泵系統的運行狀況為例，建立符合實際情況的模型，來模擬研究區地下水水流場和溫度場的變化。

1.1 水文地質概念模型

根據研究區的水文地質情況和鉆孔的測井曲線，可將地面以下埋深0～295 m的地層概化為15個水平層，其中含水層7個。同時，可將研究區的地下水流系統概化為水平結構、非均質各向異性、三維非穩定流承壓含水層系統，如圖1所示。

1.2 數學模型

在地下水源熱泵系統運行過程中，地下水水流場和溫度場都發生變化。要求解研究區概念模型所描述的地下水流動和熱運移問題，可先分別建立相應的地下水流方程和熱運移方程，再通過達西公式進行聯立求解。

1.3 模擬軟件

本次研究采用美國地質調查局（USGS）開發的HST 3D軟件對研究區進行模擬計算。

圖1 模型分區概化地層巖性柱狀圖

1.4 網格剖分

根據研究區的抽灌井布置和水位、溫度的影響范圍，通過試算，最終確定本次模擬計算范圍在平面上以3#井為中心點向四周各延伸500 m、在垂向上的

圖2 模型空間網格剖分圖（xy與z的比例尺不同）

圖3 模型井坐標位置分布

1.5 定解條件

（1）邊界條件。模擬區的周邊基本沒有開采地下水，并且該區承壓含水層地下水的水力坡度很小，地下水流動非常緩慢，可以近似忽略，據此可將模型的四周邊界概化為定水頭、定溫度邊界；模型區域的地表為水泥地，降水通過地下排水系統排走，降水入滲補給可以忽略不計，因此可將頂部邊界概化為隔水、定溫邊界；含水層底部為厚度較大的亞黏土層，因此可將底部作為隔水、定溫邊界。

（2）初始條件。根據研究項目配套設備監測的水位和溫度數據，在2009年11月之前，模擬區域的地下水水流場和溫度場基本處于天然平衡狀態。模型的初始地下水位根據監測資料的實際數據給出。模型的初始溫度場則根據研究區內成井之后測量的井水溫度計算平均地溫梯度值，再推算不同深度的地層溫度。進而，研究區按照上述方法建立溫度模型。模型的初始溫度場，如圖4所示。

（3）模擬時間。本次模擬選取冬季供暖期為模擬時間段，模型運行的起始時間為2009年11月1日，終止時間為2010年4月1日，總計151 d。

（4）抽灌井的水量和水溫。根據設備監測的流量數據，模擬期間的抽水井水量基本穩定在40 m3/h；水源熱泵系統的回灌井運行情況良好，僅有幾次回揚，因此本次模擬研究可將回灌水量視為抽水井的出水量。

圖4 模型初始溫度場

根據項目配套監測設備測量的溫度數據和水源熱泵機組出口水溫的記錄數據，抽水井的出水溫度在模擬期間基本不變，水溫大致穩定在16.2℃；回灌井的水溫變化范圍較大，水溫取平均值13.1℃。

（5）模型參數分區。本次研究模擬的范圍為1 000 m×1 000 m×295 m，按照建立的概念模型將研究區的地層劃分為15層，地層巖性在垂向上以砂層和亞黏土層交替變化。由于模擬范圍較小，在平面上可以近似將各個地層看作均質水平延伸，因此模型參數分區按照地層巖性的垂向變化分為15個參數區。

（6）模型的識別與驗證。根據以上模型參數校正步驟，基于4#觀測井的觀測數據進行擬合，最終得出模型參數。地下水相關參數按20℃時的值選取：比熱容4 182 J/（kg·℃），熱導率為0.6 W/（m·℃），熱膨脹系數為2.0×10-4℃-1，黏滯系數為0.001 Pa·s。

圖54 #觀測井溫度動態擬合曲線

根據上述模型識別校正的最終結果曲線表明，計算值與觀測值的擬合效果較為理想，溫度計算值和觀測值的誤差在0.1～0.5℃。其中，誤差在0.1～0.3℃的擬合點占60%，誤差在0.4～0.5℃的擬合點占40%。從圖5可以看出，溫度計算值曲線與觀測值曲線的動態變化趨勢基本一致。由此可見，模型比較符合地溫場變化的實際情況，可以用來預測研究區未來的地溫場變化趨勢。

2 溫度場變化預測

項目進行地溫場數值模擬研究的目的是利用已校正的模型對研究區未來的地溫場變化情況進行預測。預測的起始時間為2009年11月1日，終止時間為2014年11月1日，為期5 a。在當年11月至來年4月的冬季供暖期，3#井作為抽水井使用，2#井作為回灌井使用，地下水的抽灌量為960 m3/d，回灌水的溫度為13.1℃；在6—10月的夏季制冷期，2#井作為抽水井使用，3#井作為回灌井使用，地下水的抽灌量為960 m3/d，回灌水的溫度為22.4℃。

按照編制的方案進行采灌，則在未來的5 a的運行過程中（2009年11月1日至2014年11月1日），2、3、4#井的溫度變化曲線如圖6—8所示。3#井的溫度變化幅度較大，溫度變化范圍在15.2～22.3℃，在夏季回灌熱水后溫度明顯升高，在冬季抽水供暖時溫度便逐漸下降。2#井在冬季供暖期溫度較低，主要受到低溫回灌水的影響，溫度變化范圍在13.2～16.1℃。4#井由于距離3#井較遠，距離2#井較近，因此主要受冬季低溫回灌水的影響，溫度在13.3～16.2℃。

圖63 #井溫度變化范圍曲線

圖72 #井溫度變化范圍曲線

圖84#井溫度變化范圍曲線

圖9 為第5年制冷期末的地溫場剖面等值線圖，圖10為埋深145 m的細砂層第5年制冷期末的地溫場平面等值線圖。

圖9 第5年制冷期末（2014年9月31日）地溫場剖面等值線

圖10 第5年制冷期末（2014年9月31日）地溫場平面等值線

3 結論

（1）地下水源熱泵系統地下水采灌對地下水溫度場的影響不會超過對地下水水流場的影響范圍。

（2）地下水采灌在短期內對地下水溫度變化有一定影響，供暖期有所下降，制冷期有所上升，溫度變化為3～7℃，長期影響不大。

（3）天津地區地下水源熱泵采灌系統對井冬夏互為采灌，形成相對冷熱水體，反季節使用具有一定儲能作用，可以節能環保。

[1]天津市水文水資源管理中心.井水源熱泵技術應用后評價報告[R].天津：天津市水文水資源管理中心，2008.

[2]天津市地質調查研究院.天津市地下水可持續利用調查評價成果報告[R].天津：天津市地質調查研究院，2011.

[3]天津市塘沽區水資源管理中心.天津市塘沽區水源熱泵系統回灌儲能工程研究報告[R].天津：天津市水文水資源管理中心，2011.

[4]薛禹群.地下水動力學[M].北京：地質出版社，2003.

[5]上海市水文地質大隊地下水人工回灌編寫組.地下水人工回灌[R].上海：上海市水文地質大隊地下水人工回灌編寫組，1977.

TV213.4；P641.8

：B

：1004-7328（2017）01-0051-03

2016—11—10

戈建民（1969—），男，碩士，高級工程師，主要從事水文學及水資源研究工作。模擬范圍為從地表至埋深295 m的地層。模型在xy平面上為1 000 m×1 000 m區域，空間上為長方體的模擬范圍。模型網格剖分的空間效果，如圖2所示，圖中ab之間的部分代表模擬區域的含水層。各井的坐標位置分布情況，如圖3所示。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.016