地下水人工流场能效增强技术在浅层地热能开发中的应用

彭 涛，孙 铁，王秉忱，李 杨，赵 军(.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 00007；.天津大学，天津 3000)

地下水人工流场能效增强技术在浅层地热能开发中的应用

彭 涛1，孙 铁1，王秉忱1，李 杨2，赵 军2
(1.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007；2.天津大学，天津 300120)

中新天津生态城地处天津市滨海地区，区内地下水位高，地下水流动性差，地层上部80～100 m深度内地下水均为咸水，地层天然的热传导能力差，在一个供能期内地埋管向土层中散出的冷量/热量难以在短时间消散，造成冷量/热量在地埋管附近处持续堆积，使地源热泵系统能效降低。地下水人工流场能效增强技术可通过地下水流动将地埋管周围堆积的冷量或热量较为均匀地转移到整个地埋管区域土壤中，使地埋管间的浅层地热能被充分利用，增大换热温差，提高地埋管的换热效率，从而提高地源热泵系统的能效。

人工流场能效增强技术;土壤源热泵;地埋管;地温场;系统能效

天津市滨海地区的地下水位较高，地下水流动性差，近似静水环境，土层天然的热传导能力较差，在一个供能期内地埋管系统向土层中散出的冷量/热量难以在短时间内消散，造成冷量/热量在地埋管附近处持续堆积，使地源热泵系统能效降低，难以满足建筑取暖/制冷的需求[1～3]。在地埋管群的两侧设置抽水井和回灌井可形成人工流场[4～7]。改变抽水井和回灌井的水流量，可改变人工流场的强度；通过抽水井和回灌井的转换，可改变流场的影响效果。

本文以位于天津滨海区的中新生态城城市管理服务中心地源热泵工程为研究对象，进行了人工流场地源热泵系统能效增强技术研究与试验。

1 研究区概况

1.1区域概况

试验工程位于中新天津生态城城市管理服务中心，属公共建筑，建筑面积5 174.88 m2，采用地源热泵供冷/供热，热泵机组制热量550 kW，制冷量530 kW；地埋管数量105根，深度120 m，采用双U型地埋管。该工程建设时未设置监测孔。

1.2水文地质条件

根据区域地质勘探成果，研究区100 m以浅水文地质条件为(图1)：

第一弱透水层底板埋深4.3 m，岩性主要为人工填土和亚黏土，渗透系数2.67×10-4m/d。

第一含水层底板埋深19.8 m，岩性主要为粉砂，渗透系数3.46 m/d，为地下咸水含水层。

第二弱透水层底板埋深21.5 m，岩性主要为亚黏土和亚砂土，渗透系数2.60×10-4m/d。

第二含水层底板埋深27.1 m左右，岩性主要为粉砂，渗透系数3.53 m/d，为地下咸水含水层。

第三弱透水层底板埋深29.2 m，岩性主要为亚黏土，渗透系数2.70×10-5m/d。

第三含水层底板埋深49.7 m左右，岩性主要为粉砂，夹亚黏土薄层，渗透系数3.67 m/d，为地下咸水含水层。

第四弱透水层底板埋深60.5 m，岩性主要为亚黏土，夹亚砂土和粉砂薄层，渗透系数6.70×10-4m/d。

第四含水层底板埋深66.7 m左右，岩性主要为粉砂，渗透系数3.76 m/d，为地下咸水含水层。

第五弱透水层底板埋深79.2 m，岩性主要为亚黏土，渗透系数4.30×10-4m/d。

第五含水层底板埋深97.5 m左右，岩性主要为粉砂，夹亚黏土薄层，渗透系数3.67 m/d，为地下淡水含水层。

第六弱透水层底板埋深100 m，岩性主要为亚黏土，渗透系数3.10×10-5m/d。

可利用含水层累计厚度30.0～35.0 m。

图1 水文地质剖面简图Fig.1 Hydrogeological section diagram

揭露深度段地下水主要接受大气降水和地表水渗漏补给，靠蒸发排泄，各含水层无明显的地下水流场。

本区地处滨海平原，多次海侵使浅部形成广布的咸水，根据区域资料分析，咸水底板埋深60～70 m。第一含水层至第四含水层均为地下咸水含水层，水化学类型多为Cl—Na型、Cl—Na·Mg型和Cl·SO4—Na·Mg型，溶解性总固体大于5 g/L。

第五含水层为地下淡水含水层，水化学类型为HCO3—Na型或HCO3·Cl—Na型，溶解性总固体一般小于2 g/L。

经调查，场地半径3 km范围内，无同层地下水开采。

2 试验工程布设

2.1场地概况

试验工程为已建建筑，场地可供布置抽灌井的位置非常狭窄。本次共布设2口采、灌水井(井间距74 m)及1口分层沉降监测标，采灌水井及分层沉降监测井单井井深均为100 m。其中两眼采灌水井在地面通过管路相连，并加装调控装置，以实现水井采灌调换。采灌比为1∶1(图2)。

图2 工程布置示意图Fig.2 Demonstration project plan

2.2采灌井布设

采灌水井井深100 m，井径250 mm，最大抽水量10 m3/h。考虑变温带深度和地层固结程度，第二弱透水层(底板埋深21.5 m)以上为套管，井管外采用黏土球止水；21.5～100 m为滤水管，滤水管外回填粗砂滤料(图3)。

图3 井结构简图Fig.3 well structure diagram

3 试验工程运行监测

通过监测地埋管地源热泵系统关键参数，为分析工程运行效果提供有效依据(表1)。各参数监测频率为1次/min。

表1 地源热泵系统监测数据

4 人工流场试验方案

试验研究工作2016—2017年供暖季中进行，具体见表2。

表2 地源热泵系统运行方案

5 地源热泵系统运行效果分析

5.1无人工流场状态下运行

工程供暖季原始运行状态下，某典型日的系统运行情况，见图4。该工程原始运行呈现典型的间歇运行模式。经统计，平均约半小时运行一次。该工程供暖季的地源侧供水温度较高，运行状态下可达18～19 ℃，说明该工程供冷季负荷量较高，整个供冷季向地下土壤排放的总热量超过整个供暖季向地下排放的总冷量，地下土壤年平均温度逐年上升。

图4 供暖季原始运行某典型日数据Fig.4 Original running data in a typical day of heating season

由于系统为间歇运行，且系统停止供热时地源及负荷侧循环泵持续运行，为了有效分析地源热泵系统的供能效果，取地源侧供回水温差大于1 ℃作为判断系统是否供热的阈值，以此分析每一段运行周期内的系统运行效果。以原始运行状态下某典型日的平均机组COP变化，见图5。

图5 供暖季原始运行某典型日平均机组COP曲线Fig.5 The average cop curve of unit in aoriginal running typical day of heating season

原始运行状态下，平均机组COP基本呈现上班期间(8—16时)较高，下班期间(16时—次日8时)较低的规律，这是由于上班期间负荷率较高，机组COP相对较高。全天的平均机组COP在4.3左右。

5.2人工流场状态下运行

人工流场可以强化地埋管的对流换热，在供暖季时缓解地埋管周围的冷量堆积，提高地埋管与土壤间的换热温差，进而提高地埋管的整体换热效果。采用1月10日的运行数据，分析人工流场对地源热泵供热效果的影响。

在8时左右开始上班时，由于供暖负荷增加，地埋管周围的冷量堆积逐渐增加，地源侧回水温度逐渐下降，在该种情况下，为了保证足够的取热量，地源热泵机组将降低地源侧出水温度，这将造成机组COP降低、

能效水平下降。在14∶05开始抽水进行人工地下水流场运行，可以看出地源侧回水温度开始逐渐回升，说明地埋管周围的冷量堆积在一定程度上得到缓解(图6)。

图6 1月10日地源侧回水温度曲线Fig.6 the ground source side return water temperature curve on January 10

由于地源热泵机组能效水平并不能直接通过地源侧回水温度计算得出，为了定量分析人工流场对地源热泵机组能效水平的影响，选取项目监测周期内的平均数据作为对照组，计算不同运行方案下的机组平均COP变化，见表3。人工流场可以在一定程度上缓解地埋管周围的冷量堆积，提高地埋管的换热效果并最终提高地源热泵机组的平均COP。

表3 不同运行方案下机组平均COP变化

图7为人工流场下人工流场抽水量对机组平均COP的影响。机组平均COP与人工流场抽水量基本呈现正相关关系。

6 数值模拟分析

根据试验工程运行情况，建立了基于工程地质条件下的地埋管群换热模型，分别进行有/无人工流场下地埋管的换热效果模拟。模拟计算采用FEFLOW软件，包括天然状态下及人工流场影响下的地埋管运行模拟各一组。

图7 人工流场抽水量对机组平均COP提高百分比的影响Fig.7 The effect of artificial flow field pumping on the average cop increase

图8 有/无人工流场模拟结束时砂层水平面温度图Fig.8 water temperature in sand at the end of simulation without and with artificial flow

图8为有/无人工流场影响下，模拟运行结束时第一层砂层中间深度水平面温度分布图。在没有人工流场作用时，由于土壤的传热能力较差，地埋管放出的冷量堆积在地埋管周围，短时间内难以散出；而加入人工流场作用后，由于渗流的存在，地埋管周围的冷量堆积得以传递至地埋管之间的土壤中。

图9(a)为有/无人工流场影响下，105根地埋管平均进出口温差的变化。总体上，随着热堆积越来越严重，有、无人工流场影响下地埋管的换热量都呈现下降趋势；但有人工流场的情况，由于一部分热堆积被人工流场缓解，地埋管的换热效果得到强化。在运行初期，随着时间增加，人工流场的强化效果也显著增加，说明在冷量堆积越严重的情况下人工流场的强化效果越明显。而运行后期，人工流场的强化效果开始趋于平稳(图9(b))。

图9 有/无人工流场地埋管群平均进出口温差变化及人工流场下地埋管换热量提高百分比Fig.9 theaverageimport and export temperature difference of buried pipeswith artificial flow field and without artificial flow field and the percentage of heat exchangeamount increase with artificial flow field

运行结束时人工流场强化下每一根地埋管的换热量提高比例，见图10。靠近左侧水井和右侧水井的地埋管换热强化最为明显。经计算，在运行结束时，105根地埋管的平均进出口温差提高了8.53%，其中强化效果最好的单根地埋管(最靠近左侧水井的地埋管)平均进出口温差提高了11.50%。

图10 各根地埋管换热量提高比例Fig.10 the percentage of heat exchangeamount increase with artificial flow field of the buried tubes

7 结论

(1)在供暖季运行时，人工地下水流场可以在一定程度上缓解地埋管换热器周围的冷量堆积，提高地埋管换热器的回水温度，并提高地源热泵系统的能效水平。

(2)实际运行数据与模拟数据相比，人工流场的强化效果有一定程度的降低，主要是由于该场地地埋管采用原土回填，钻孔内较为密实，渗透性较差，人工流场无法直接作用于地埋管；此外，由于场地实际条件限制，无法进行抽灌井井位的优化设计。若可对该两项因素进行优化设计，可以进一步提高人工流场的强化效果。

浅层地热能人工流场能效增强技术不同于地下水源热泵技术，其以较低的抽水量(小于10 m3/h)，与土壤源热泵技术相结合，起到了变浅层地热能静储量为动储量，提高地源热泵系统能效的作用，值得在条件适合的区域大力推广。

[1] 徐生恒，彭涛，王秉忱，等，地源热泵技术研究新进展[J].地下水，2016，38(2):1-8.[XU S H，PENGT，WANG B C，etal，The new development of ground source heat pump research[J]. Ground Water，2016，38(2):1-8.(in Chinese)]

[2] 赵军，张志英，刘九龙，等.人工流场影响下地埋管管群换热的模拟研究[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2016， 49(8): 835-840.[ZHAO J，ZHANG Z Y，LIU J L，etal. Simulation study on heat transfer of buried pipe banks under theinfluence of artificial flow field[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology) ，2016， 49(8): 835-840.(in Chinese)]

[3] 刘洪战,田源,杨坡.细颗粒沉积物分布区地下水源热泵抽灌井施工工艺探讨[J].水文地质工程地质,2017,44(1):36-40. [LIU H Z, TIAN Y, YANG P. A discussion of the construction technology of pumping and injection wells in the fine particle sediment distribution area[J].Hydrogeology amp; Engineering Geology,2017,44(1):36-40. (in Chinese)]

[4] 岳丽艳，孟令军，赵苏民，等.天津市浅层地热能存在的热堆积问题及解决方法探讨[J].地质调查与研究，2017，40(1): 76-80.[YUE L Y，MENG L J，ZHAO S M，etal. Tianjin heat accumulation problems of shallow geothermal energy and solving method[J].Geological Survey and Research，2017，40(1): 76-80 .(in Chinese)]

[5] 彭涛，孙铁. 天津生态城地源热泵能源系统高效利用技术研究与示范[R].天津，2017.[PENG T，SUN T. Research and demonstration of efficient utilization of ground source heat pump in Tianjin Eco-city [R].Tianjin,2017.(in Chinese)]

[6] 周彦章,周志芳,吴蓉,等.地源热泵系统地下水热量运移阶段特性模拟研究[J].水文地质工程地质,2011,38(5):128-134.[ZHOU Y Z, ZHOU Z F,WU R,etal. Simulation study of the stage-characteristics of groundwater thermal transport in aquifer medium for GWHP System[J].Hydrogeology amp; Engineering Geology,2011,38(5): 128-134.(in chinese)]

[7] 杨露梅,鄂建,朱明君,等.典型地埋管系统模拟工况地温场特征研究[J].水文地质工程地质,2017,44(2):178-183.[YANG L M, E J,etal. Characteristics of the ground temperature of the typical Ground-Source Heat Pumps system in Nanjing[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology, 2017,44(2):178-183. (in chinese)]

Theenergyefficiencyenhancementtechniqueofsoilsourceheatpumpsystemthroughgroundwaterartificialflowfield

PENG Tao1, SUN Tie1, WANG Bingchen1, LI Yang2, ZHAO Jun2

(1.CIGIS(CHINA)Limited，Beijing100007，China；2.TianjinUniversity,Tianjin300120，China)

The Sino-Singapore Tianjin Eco-city located in the coastal areas. In this area，the underground water level is high,the underground water is poor fluidity and is salt water in the top 100 m stratum，so the ability of energy transmission ofthe stratum is poor. In a energy supplyperiod, the cool/heat energy transfer from buried pipes cannot be dissipated in a short time, the cold/heat energyaccumulates around the buried pipes, so the energy efficiency of soil source heat pump system is low. The energy efficiency enhancement technique through artificial flow field can make the cold/heat energy transfer from buried pipes dissipated homogeneous, enlarge the temperature differenceofheat transfer, and enhance the energy efficiency of soil source heat pump system.

The energy efficiency enhancement technique through artificial flow field；Soil source heat pump；buried pipes；Geothermal field；system energy efficiency

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.25

P314.3;TU831.3

A

1000-3665(2017)06-0169-06

2017-08-04;

2017-09-10

十二五国家科技支撑计划课题“天津生态城地源热泵能源系统高效利用技术研究与示范”(2013BAJ09B04)

彭涛(1968-)，男，博士，研究员，主要从事工程勘察、地质灾害治理、地热资源开发等的研究工作。E-mail：pengtao@cigsi.com.cn