水源热泵抽灌井合理井间距研究

何兴强

(安徽省公益性地质调查管理中心，安徽合肥 230009)

水源热泵抽灌井合理井间距研究

何兴强

(安徽省公益性地质调查管理中心，安徽合肥 230009)

水源热泵系统中抽灌井的井间距、布置方案及运行模式等直接决定系统运行的效率。以一医院水源热泵系统为例，在建立耦合数学模型的基础上，借助HST3D软件，深入分析井间距为25 m、40 m、50 m、60 m条件下，抽灌井周边的地下水流场和温度场变化特征，研究表明:井间距越大，热贯通产生的时间越长，程度也越轻微，类似实例的水文地质条件及工程规模相似的地区井距50 m较为合理。

井间距;地下水水位;温度;热贯通

在能源消耗以及环境污染严重的背景下，地下水源热泵以其清洁无污染且可再生的优势，迅速成为各国积极推广的新型能源［1，2］。地下水作为低位热源，通过建造抽水、回灌井(群)抽取地下水中的热量或冷量，解决夏季制冷、冬季供暖问题。在水头差和温度差的共同作用下，向含水层中注入的冷水(或热水)不断向四周运移［3－5］，受抽灌井井间距、热对流、运行模式等因素的影响［2，3，6］，导致热泵运行期间发生热贯通现象，降低地下水源热泵系统的运行效果。其中，井间距的大小直接影响着地下水源热泵的热贯通程度，为此，以某一人民医院水源热泵系统为例，建立地下水流和热量运移耦合的数学模型，运用HST3D热运移软件，分析不同抽灌井间距下，抽灌井周边地下水流场和温度场的变化，防止热贯通现象的发生，为系统高效运行提供科学依据。

1 研究区概况

研究区地处淮河平原区中部，属剥蚀堆积地形。地面高程海拔为22～32 m。位于暖温带半湿润季风气候区，多年平均降水量855.1 mm，蒸发量998.9 mm。

区域上为新生界松散层所覆盖，下伏基岩主要是上太古界吴集组变质岩，下第三系始新统界首组泥岩、砂岩。新生界松散层厚度400～600 m。

研究区主要为松散岩类孔隙含水层组，潜水主要赋存于全新统中段(Q42)粉细砂层中，单井出水量240～960 m3/d;水位埋深0.5～3.0 m。孔隙承压水主要赋存于下更新统(Q1－3)细砂、中粗砂层和上第三系(N)半胶结中砂层中;含水层分布稳定，厚度多在40 m左右，水量丰富，单井涌水量大于1 000 m3/d，区内含水层结构分布条件比较稳定，潜水含水层和承压水含水层之间发育较厚且相对稳定的粘土层，厚度平均15 m左右，两层组之间的直接水力联系较差，区域局部地段存在可形成越流补给的天窗。天然条件下，潜水与承压水的区域迳流方向，大致由西北流向东南。大气降水是其主要补给来源，在平原区，地形平坦，沟渠河道纵横，入渗补给条件好，潜水水位埋深较浅，一般为0.5～3.0 m左右，潜水年变幅1～3 m。孔隙承压水，主要接受侧向径流补给，在天窗发育地段，可接受潜水的越流补给。区内潜水的主要排泄方式有潜水蒸发、越流补给、侧向迳流排泄、人工开采四种方式。

2 地下水流数值模拟模型

2.1 水文地质概念模型

根据水文地质勘探孔所揭露的地层，研究区内地层自上而下分为:(1)粉质粘土层，局部夹细砂层，分布深度为0～80 m;(2)细砂层，分部深度为80～85 m;(3)粘土层，分部深度为85～102 m;(4)砂层，分部深度为102～144 m;(5)胶结、半胶结泥岩。两套砂层是中、下更新统(Q1－2)的承压水含水层组，具有统一的承压水位，也是本次重点分析的目标含水层。

由于水源工程分布范围3 500 m2左右，而根据水文地质条件，工程对地下水系统的影响范围要远大于这一水源工程分布范围，所以在模拟分析中，以水源工程分布范围为中心，南北和东西跨度各取5 km作为模拟区范围;根据水文地质条件，将模拟区概化为非均质各向同性，同一参数分区内可视为均质，水流服从达西定律，地下水流态为二维非稳定流，将边界条件概化为给定水头边界。

2.2 数学模型

依据概化的水文地质概念模型，建立相应的数学模型:

式中:K为含水层渗透系数(m/d);H为地下水水位(m);W为单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量(m3);μs为贮水系数(1/m);H0为地下水初始水位(m);H1为模拟期边界处的地下水水位(m);t为时间(d);D为模拟区范围;Γ1为类边界。

3 井群布置方案

3.1 确定抽灌井数

依据区域水文地质条件和相关技术规范来确定开采井与回灌井的数量。研究区人水源热泵系统的建筑物面积64 618 m2，根据设计冷、负荷总量，并考虑输水损失，确定设计用水量为490 m3/h。参考研究区实际抽水试验数据，确定单井出水量为70 m3/h，需要7口开采井。考虑实际运行中井、泵维护的需要，设有1口备用井;因此，开采井数可确定为“7用1备”，共计8口抽水井(图1)。

图1 抽灌井平面分布示意图

通过分析研究区内含水层的透水性能及抽水～回灌试验实验数据，确定单井真空回灌能力为28 m3/h。系统最大开采量为490 m3/h，若进行100%回灌，需要18口回灌井。考虑井、泵维护的需要，回灌备用井按回灌井数的10%计为2口;则，回灌井数可确定为“18用2备”，共计20口回灌井。

3.2 井间距

抽水井与回灌井的间距是地下水源热泵系统井群设计的重要参数之一，也是影响热贯通程度的最大可控因素，井间距越大，热贯通产生的时间越长，程度越轻微。因此，为保证水源热泵系统高效运行，抽水井与回灌井之间应取合理的井间距。抽水井和回灌井通常布设在建筑物周围，考虑到实际工程的经济投入和建筑物场地条件等制约因素，相邻抽水、回灌井间距选取25 m、40 m、50 m和60 m作为研究对象。

4 不同井间距影响评价

首先利用抽水试验、抽水与回灌试验过程中实测水位、流量数据，对数学模型进行识别，利用识别后的模型，模拟不同井间距条件下的地下水流场和温度场，不同间距下制冷期末的流场及温度场变化影响范围如图2、表1、表2和图3所示。

图2 井间距50 m时制冷期末地下水水位等值线

表1 制冷期末地下水水位变化统计表

表2 制冷期末温度变化统计表

图3 不同井间距条件下制冷期末温度场变化示意图

图4 不同井间距下最不利抽水井温度变化过程线

分析图2、表1、表2、图3和图4中的数据可知，抽水～回灌量一定时，抽水井和回灌井相对位置不变的条件下，含水层中抽水～回灌井附近的水位降落漏斗面积随着井间距的增加而增大，水位下降值大于0.1 m的影响范围由3.12 km2增大到4.41 km2;考虑抽水井、回灌井流场相互叠加后，相邻井间距为40 m和50 m时，抽水井、回灌井水位降升幅度相对较小。

随着井间距的增加，温度升高0.5℃和1.5℃的面积也逐渐增大，不同井间距最不利抽水井产生“热突破”的时间延长，然而井间距越小，抽水井恢复初始温度越快，井间距对抽水井产生“热突破”有明显的影响。

综上所述，由于抽水井和回灌井之间存在较高的温差，为了使抽水井产生“热突破”的时间延长，综合不同井间距对地下水位变化和温度场的影响，并考虑工程场地占地面积、建筑物场地条件等制约因素，该实例中50 m井间距较为合理。

5 结语

井间距的大小直接影响着地下水源热泵的热贯通程度。如果只有轻微的热贯通是可以接受的，但若是热贯通的发生的强烈，则热泵系统承担负荷的能力降低，温度变化过大会影响热泵机组的运行效率，甚至还能使地下水冻结，造成事故。热贯通可接受的程度与当地地下水温度、热泵机组的性能有关，热贯通产生的原因与含水层特性、井间距、井的运行方式以及负荷特性等有关，其中生产井和回灌井之间的间距时影响热贯通程度的最大可控因素。

实例研究表明，井间距越大，热贯通产生的时间越长，程度也越轻微，在与实例水文地质条件及工程规模相似的地区，在井间距为50 m条件下，水源热泵系统对地下水流场及温度场影响较小。

［1］汪佳，陶月赞，姚梅.水源热泵系统对地下水流系统的影响评价［J］.地下水，2009，31(4):42－45.

［2］韦卫敏.基于地下流场与温度场耦合模拟的抽水～回灌优化方案研究［D］.合肥工业大学硕士学位论文，2012.

［3］倪龙，马最良.含水层参数对同井回灌地下水源热泵的影响［J］.天津大学学报，2006，39(2):229－234.

［4］Tenma N，YasukawaK，Zyvoloski G.Model study of the thermal storage system by FEHM Code［J］.Geothermics，2003，32:603 －607.

［5］Zhao Z，Zhang S，Li X.Cost－effective optimal design of groundwater source heat pumps［J］.Applied Thermal Engineering.2003，23(13):1595－1603.

［6］张远东，魏加华等.区域流场对含水层采能区温度场的影响［J］.清华大学学报:自然科学版.2006，46(9):1518 －1521.

Research on the Optimum Distance between Water－source Heat－Pump Production Well and Injection Well

He Xingqiang
(Geological Survey of Anhui Public Management Center Hefei 230009，Aanhui)

As the distance between production well and injection well，distribution of wells and operation model of water resource heat－pump system are key determining factors of system efficiency，the paper makes a research on changes in water flow field and temperature field around production and injection wells.Taking a certain hospital;s water－source heat－pump system as example，the paper does the research on the basis of coupling model and analyzes the variation characteristics of the research objects with the help of HST3D software when the inter－well distance are 25m，40m，50m，and 60m.The result shows that a longer distance will take longer time for thermal transfixion which in a slighter degree.Therefore，the conclusion is the optimum distance between water－ source heat－ pump production well and injection well，which are in similar hydrogeological environment and project scale as the example one，should be 50m.

Inter－well distance，groundwater level，temperature and thermal transfixion

TD26

A

1004－1184(2013)05－0043－03

2013-03-13

何兴强(1966-)，男，安徽合肥人，高级工程师，主要从事水文地质学方面的研究。