地下水源热泵系统建设与运行对地下水温度影响分析

戈建民，王亚彬

（1.天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061；2.天津市地质调查研究院，天津300191）

地下水源热泵系统建设与运行对地下水温度影响分析

戈建民1，王亚彬2

（1.天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061；2.天津市地质调查研究院，天津300191）

采用数值模拟方法，经分析发现天津地区地下水源热泵系统在短期内对局部区域地下水温度变化有一定影响，长期影响不大。系统对井冬夏互为采灌，形成相对冷热水体，反季节使用具有一定储能作用。

地下水源热泵；水温；数值模拟；储能

截至2012年，天津市建成的地下水源热泵系统共61家，井数306眼。按照“以灌定采”“采灌平衡”的原则，地下水源热泵系统运行过程中的采水量不应超过回灌量。笔者采用数值模拟的方法，分析地下水源热泵系统运行对地下水温度产生的影响。

1 数值模拟

以天津市塘沽区河管所地下水源热泵系统的运行状况为例，建立符合实际情况的模型，来模拟研究区地下水水流场和温度场的变化。

1.1 水文地质概念模型

根据研究区的水文地质情况和钻孔的测井曲线，可将地面以下埋深0～295 m的地层概化为15个水平层，其中含水层7个。同时，可将研究区的地下水流系统概化为水平结构、非均质各向异性、三维非稳定流承压含水层系统，如图1所示。

1.2 数学模型

在地下水源热泵系统运行过程中，地下水水流场和温度场都发生变化。要求解研究区概念模型所描述的地下水流动和热运移问题，可先分别建立相应的地下水流方程和热运移方程，再通过达西公式进行联立求解。

1.3 模拟软件

本次研究采用美国地质调查局（USGS）开发的HST 3D软件对研究区进行模拟计算。

图1 模型分区概化地层岩性柱状图

1.4 网格剖分

根据研究区的抽灌井布置和水位、温度的影响范围，通过试算，最终确定本次模拟计算范围在平面上以3#井为中心点向四周各延伸500 m、在垂向上的

图2 模型空间网格剖分图（xy与z的比例尺不同）

图3 模型井坐标位置分布

1.5 定解条件

（1）边界条件。模拟区的周边基本没有开采地下水，并且该区承压含水层地下水的水力坡度很小，地下水流动非常缓慢，可以近似忽略，据此可将模型的四周边界概化为定水头、定温度边界；模型区域的地表为水泥地，降水通过地下排水系统排走，降水入渗补给可以忽略不计，因此可将顶部边界概化为隔水、定温边界；含水层底部为厚度较大的亚黏土层，因此可将底部作为隔水、定温边界。

（2）初始条件。根据研究项目配套设备监测的水位和温度数据，在2009年11月之前，模拟区域的地下水水流场和温度场基本处于天然平衡状态。模型的初始地下水位根据监测资料的实际数据给出。模型的初始温度场则根据研究区内成井之后测量的井水温度计算平均地温梯度值，再推算不同深度的地层温度。进而，研究区按照上述方法建立温度模型。模型的初始温度场，如图4所示。

（3）模拟时间。本次模拟选取冬季供暖期为模拟时间段，模型运行的起始时间为2009年11月1日，终止时间为2010年4月1日，总计151 d。

（4）抽灌井的水量和水温。根据设备监测的流量数据，模拟期间的抽水井水量基本稳定在40 m3/h；水源热泵系统的回灌井运行情况良好，仅有几次回扬，因此本次模拟研究可将回灌水量视为抽水井的出水量。

图4 模型初始温度场

根据项目配套监测设备测量的温度数据和水源热泵机组出口水温的记录数据，抽水井的出水温度在模拟期间基本不变，水温大致稳定在16.2℃；回灌井的水温变化范围较大，水温取平均值13.1℃。

（5）模型参数分区。本次研究模拟的范围为1 000 m×1 000 m×295 m，按照建立的概念模型将研究区的地层划分为15层，地层岩性在垂向上以砂层和亚黏土层交替变化。由于模拟范围较小，在平面上可以近似将各个地层看作均质水平延伸，因此模型参数分区按照地层岩性的垂向变化分为15个参数区。

（6）模型的识别与验证。根据以上模型参数校正步骤，基于4#观测井的观测数据进行拟合，最终得出模型参数。地下水相关参数按20℃时的值选取：比热容4 182 J/（kg·℃），热导率为0.6 W/（m·℃），热膨胀系数为2.0×10-4℃-1，黏滞系数为0.001 Pa·s。

图54 #观测井温度动态拟合曲线

根据上述模型识别校正的最终结果曲线表明，计算值与观测值的拟合效果较为理想，温度计算值和观测值的误差在0.1～0.5℃。其中，误差在0.1～0.3℃的拟合点占60%，误差在0.4～0.5℃的拟合点占40%。从图5可以看出，温度计算值曲线与观测值曲线的动态变化趋势基本一致。由此可见，模型比较符合地温场变化的实际情况，可以用来预测研究区未来的地温场变化趋势。

2 温度场变化预测

项目进行地温场数值模拟研究的目的是利用已校正的模型对研究区未来的地温场变化情况进行预测。预测的起始时间为2009年11月1日，终止时间为2014年11月1日，为期5 a。在当年11月至来年4月的冬季供暖期，3#井作为抽水井使用，2#井作为回灌井使用，地下水的抽灌量为960 m3/d，回灌水的温度为13.1℃；在6—10月的夏季制冷期，2#井作为抽水井使用，3#井作为回灌井使用，地下水的抽灌量为960 m3/d，回灌水的温度为22.4℃。

按照编制的方案进行采灌，则在未来的5 a的运行过程中（2009年11月1日至2014年11月1日），2、3、4#井的温度变化曲线如图6—8所示。3#井的温度变化幅度较大，温度变化范围在15.2～22.3℃，在夏季回灌热水后温度明显升高，在冬季抽水供暖时温度便逐渐下降。2#井在冬季供暖期温度较低，主要受到低温回灌水的影响，温度变化范围在13.2～16.1℃。4#井由于距离3#井较远，距离2#井较近，因此主要受冬季低温回灌水的影响，温度在13.3～16.2℃。

图63 #井温度变化范围曲线

图72 #井温度变化范围曲线

图84#井温度变化范围曲线

图9 为第5年制冷期末的地温场剖面等值线图，图10为埋深145 m的细砂层第5年制冷期末的地温场平面等值线图。

图9 第5年制冷期末（2014年9月31日）地温场剖面等值线

图10 第5年制冷期末（2014年9月31日）地温场平面等值线

3 结论

（1）地下水源热泵系统地下水采灌对地下水温度场的影响不会超过对地下水水流场的影响范围。

（2）地下水采灌在短期内对地下水温度变化有一定影响，供暖期有所下降，制冷期有所上升，温度变化为3～7℃，长期影响不大。

（3）天津地区地下水源热泵采灌系统对井冬夏互为采灌，形成相对冷热水体，反季节使用具有一定储能作用，可以节能环保。

[1]天津市水文水资源管理中心.井水源热泵技术应用后评价报告[R].天津：天津市水文水资源管理中心，2008.

[2]天津市地质调查研究院.天津市地下水可持续利用调查评价成果报告[R].天津：天津市地质调查研究院，2011.

[3]天津市塘沽区水资源管理中心.天津市塘沽区水源热泵系统回灌储能工程研究报告[R].天津：天津市水文水资源管理中心，2011.

[4]薛禹群.地下水动力学[M].北京：地质出版社，2003.

[5]上海市水文地质大队地下水人工回灌编写组.地下水人工回灌[R].上海：上海市水文地质大队地下水人工回灌编写组，1977.

TV213.4；P641.8

：B

：1004-7328（2017）01-0051-03

2016—11—10

戈建民（1969—），男，硕士，高级工程师，主要从事水文学及水资源研究工作。模拟范围为从地表至埋深295 m的地层。模型在xy平面上为1 000 m×1 000 m区域，空间上为长方体的模拟范围。模型网格剖分的空间效果，如图2所示，图中ab之间的部分代表模拟区域的含水层。各井的坐标位置分布情况，如图3所示。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.016