严寒地区地下水源热泵运行方式适宜性研究★

王松庆 贺士晶

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

严寒地区地下水源热泵运行方式适宜性研究★

王松庆 贺士晶

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基于颗粒迁移理论，以严寒地区某工程为例，对严寒地区地下水源热泵采用不同运行方式对含水层参数的影响进行研究，结果表明在严寒地区采用变流量运行方式对含水层参数的影响较小，宜在严寒地区地下水源热泵工程中得到推广。

严寒地区，地下水源热泵，运行方式

0 引言

地下水源热泵由于其节能和环保等优点，近些年来在我国得到了较为广泛的应用。Freedman等[1]针对地下水源热泵应用对热环境的影响进行了评价分析；张庆等[2]对天然冷源对地下水源热泵运行的影响进行了研究；徐伟等[3]对地下水源热泵在我国应用的适宜性问题进行了分析；王现国等[4]利用HST3D软件分析了地下水源热泵运行期间水热的变化特征；张超等[5]对热回收型地下水源热泵系统的运行性能进行了研究。以上研究主要是从地下水源热泵运行性能等方面进行研究。但是由于地下水源热泵需要的水源来自地下空间，不能忽视地下水源热泵运行对地下空间的影响，应有效避免由于长期抽水而引起的取水系统失效问题而造成地下水源热泵系统无法使用的严重后果。本文以颗粒迁移理论为基础，选取严寒地区某办公建筑为案例，对地下水源热泵不同运行方式的适应性进行研究，讨论不同运行方式对含水层的影响，为严寒地区地下水源热泵工程合理选择运行方式提供参考。

1 颗粒迁移理论

1.1 颗粒迁移数学模型

颗粒迁移问题产生的主要原因是由于当满足某些条件时，含水层颗粒会脱离含水层骨架随着地下水一起运动，产生颗粒迁移问题。颗粒迁移问题数学模型的建立主要基于表征体元法[7，8]。数学模型如式(1)～式(3)所示[8，9]。

(1)

(2)

(3)

其中，φ为孔隙率；c为颗粒浓度；ρs为固体骨架的密度，kg/m3；v为渗透速度，m/s；m为侵蚀率，kg/(m3·s)，m是孔隙率，颗粒浓度等参数的函数[9]，即：

(4)

其中，λ为侵蚀参数，1/m，对于同一含水层可看作是常数；vcr为临界渗透速度，m/s。

1.2 颗粒迁移对含水层参数的影响

地下水源热泵取水井的单井取水量可通过地下水动力学中的相关知识求得[10]：

Q=KJA

(5)

v=KJ

(6)

其中，Q为取水量，m3/s；K为渗透系数，m/s。

2 变流量运行方式研究

在夏季和冬季工况时，地下水源热泵所需总水量可分别按式(7)和式(8)计算[11]。

(7)

(8)

其中，GS1为夏季制冷工况所需地下水量，m3/h；QL为夏季热泵机组总制冷量，kW；Δts为地下水进出热泵机组温差，℃；EER为夏季热泵机组的能效比；GS2为冬季制热工况所需地下水量，m3/h；QR为冬季热泵机组总制热量，kW；COP为冬季热泵机组的性能系数。

3 案例研究

本文采用定温差控制法作为控制方法。假设冬夏季进出热泵机组水的温差均为5 ℃。水量调节范围选取为50%～100%，调节幅度为±10%，与空调负荷率成正比关系。当负荷率小于50%时，按照空调负荷率50%选取。本文地下水源热泵工程选取严寒地区沈阳市某办公建筑，对该建筑全年动态空调负荷进行计算和分析，选取两个不同类型的含水层进行案例研究，讨论严寒地区地下水源热泵不同运行方式对含水层参数变化特性的影响。通过计算分析可知，冬夏季动态负荷的最大值分别为夏季764.12 kW，冬季613.3 kW，空调负荷累计时间频数如表1所示。冬夏季所需水量分别为：GS1=160 m3/h；GS2=79.16 m3/h。

表1 空调负荷累计时间频数 %

本案例选用3口完整井，单井取水量为53.33 m3/h，假设含水层各向同性均质，含水层厚度为25 m。地下水源热泵机组夏季运行时，其最小取水量为0.5GS1。该水量大于冬季需要的总水量GS2。因此地下水源热泵冬季运行时，总水量可选取为0.5GS1。假设热泵机组运行抽取的地下水可以100%回灌。不同含水层相关参数见表2。

首先，对不同运行方式对井壁处孔隙率的影响进行分析。由图1可知，对于案例1，分别采用定流量运行方式与变流量运行方式，地下水源热泵运行5年后，井壁孔隙率与初始值相比，分别增大6.48%和3.39%，变流量运行方式对含水层孔隙率的影响为定流量运行方式的52%。对于案例2，分别采用定流量运行方式与变流量运行方式，地下水源热泵运行5年后，井壁孔隙率与初始值相比，分别增大10.97%和5.84%，变流量运行方式对含水层孔隙率的影响仅为定流量运行方式的53%。可见，即使都处于渗透速度大于临界渗透速度的最为不利的情况，与地下水源热泵采用定流量运行方式相比，变流量运行方式可以有效减少热泵运行给孔隙率造成的影响。

表2 不同含水层相关参数

其次，对不同工况运行方式对井壁处渗透系数的影响进行分析。由图2可知，对于案例1，采用定流量运行方式与变流量运行方式相比，地下水源热泵运行5年后，井壁渗透系数与初始值相比，分别增大32.1%和15.81%，变流量运行方式对含水层孔隙率的影响为定流量运行方式的49%。对于案例2，采用定流量运行方式与变流量运行方式相比，地下水源热泵运行5年后，井壁孔隙率与初始值相比，分别增大62.64%和29.82%，变流量运行方式对含水层孔隙率的影响仅为定流量运行方式的48%。

综上可见，在严寒地区地下水源热泵采用变流量运行方式与

定流量方式相比，其对含水层参数(如孔隙率、渗透系数等)的影响程度大大减少，有利于保持地下空间的结构稳定，可以有效预防取水系统失效问题的发生，是一种“安全性”较高的运行方式。因此，在严寒地区的地下水源热泵工程宜采用变流量运行方式，应在工程上得到推广和应用。

4 结语

1)在严寒地区地下水源热泵采用变流量运行方式对含水层参数的影响较小，可以有效避免地下水源热泵取水系统失效问题的发生；2)在严寒地区的地下水源热泵工程宜采用变流量运行方式，应在工程上得到推广和应用。

[1] Freedman V L,Waichler S R,Maxkley R D,et al.Assessing the thermal environmental impacts of an groundwater heat pump in southeastern Washington State[J].Geothermics,2012,42(4):65-77.

[2] 张 庆，张延军，周炳强，等.天然冷源对地下水源热泵的影响规律[J].吉林大学学报(地球科学版),2013,43(2):537-543.

[3] 徐 伟，王贵玲，邹 瑜，等.中国地下水源热泵技术适宜性研究[J].建筑科学,2012,28(10):4-8.

[4] 王现国，葛 雁，周奇蒙，等.地下水源热泵运行期间水热变化模拟分析[J].水电能源科学,2012,30(2):139-141.

[5] 张 超，周光辉，刘 寅.热回收型地下水源热泵系统性能研究[J].可再生能源,2013,31(7):93-96.

[6] 杨 清.关于水源热泵水源问题的探讨[J].工程建设与设计，2004，52(6)：5-7.

[7] 王松庆，张 旭.地下水源热泵定压差取水方式对含水层渗透性的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(6):1624-1628.

[8] WANG Song-qing,ZHANG Xu.Variation characteristics of aquifer parameters induced by groundwater source heat pump operation under variable flow[J].Journal of Central South University of Technology,2011,18(4):1272-1277.

[9] Stavropoulou M,Papanastasiou P,Vardoulakis I.Coupled wellbore erosion and stability analysis[J].International Journal for Numerical and Analytical methods in Geomechanics,1998,22(9):749-769.

[10] Papamichos E,Vardoulakis I.Sand erosion with a porosity diffusion law[J].Computers and Geotechnics,2005,32(1):47-58.

[11] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

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★：中央高校基本科研业务费专项资金项目(项目编号：DL11BB30)；黑龙江省教育厅科学科技研究项目(项目编号：12533012)

王松庆(1982- )，男，博士，讲师； 贺士晶(1983- )，女，博士，讲师

TU833

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