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地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统地温场数值模拟

发布时间:2018年05月31日
来源:探矿工程在线 作者:吕天奇,张延军,于子望,等

引用格式:吕天奇,张延军,于子望,等.地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统的地温场数值模拟研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(1):79-83.


摘要地下水源热泵系统的地温场数值模拟研究对浅层地热能开发利用项目具有重要意义。通过TOUGH2建立地下水源热泵系统的水-热耦合模型,模拟了研究区多年地温场变化趋势以及抽灌井温度变化。结果表明地下水源热泵系统运行10年后部分组团出现大量冷堆积现象,影响供暖温度。依据本结果,结合场地条件,针对冷堆积现象采用太阳能辅助热源系统进行系统强化设计,并模拟研究强化后的地温场多年变化趋势,结果表明太阳能辅助热源系统可以有效提高供暖温度。

关键词:地下水源热泵;太阳能辅助热源;浅层地热能;TOUGH2;数值模拟;地温场;强化设计

 

地下水源热泵系统作为地源热泵系统的一种,是21世纪比较具有发展前景的研究方向。对地下水源热泵的运行进行数值模拟以分析预测其可行性,并针对缺陷进行优化处理,是比较常用的开发利用浅层地热能资源的前期研究手段。

 

1   工程概况

唐山市地下水源热泵项目划分分为A、B、C、D四处组团,共占地面积约为45万m2,共有井70口,为了获得该地区较大时间跨度内的地温场数据,从中选取22处观测井进行地温场长期观测,其中抽水、回灌和饮水用途的井分别为9口、10口和3口。

 

2   地下水源热泵系统群井模型

模拟研究采用TOUGH2软件。模型依据场地实际大小设置,长度1500 m,宽度1050 m,厚度150 m。X、Y和Z三个轴面分别划分为13层、13 层和 40 层。对模型进行条件设置,平均抽水量90 m3/h,地下水平均温度5 ℃,深度范围60-90 m,四周均为恒温边界,地下水温度14℃,地下水从北东向向南西向流动。

模拟3的场地地温场数据,如图1所示(字母代表组团名、绿色线条代表观测井、绿色线条中间红色方块代表换热储层、模型颜色变化代表温度变化,以下图示相同)。可以看到,B组团与C组团地温场出现少量冷堆积,A组团与D组团地温场温度下降很少。

 

1  第3模型的温度三维图


选取各组团中最具代表性的一口观测井进行进行实测与模拟的对比。由实测数据可知,各井温度随着时间变化的趋势与模拟温度趋势线基本拟合。例如A组团代表井在图像上其实测温度趋势线的函数为 y = 0.0012x + 12.198,模拟温度趋势线的函数为y = 0.0018x + 12.038。可以基本肯定该数值模拟模型具有该场地模拟与预测的可行性,比较满足场地的实际情况。

利用模型进行研究区未来10年地温场的数值模拟,其温度三维图如图2所示。

 

2 第10模型的温度三维图

在第10的时候,B、C组团运行出现了比较明显的冷堆积,且具有较大的影响半径,这是由于其地下水源热泵系统采用的是冬季供暖的单相运行模式,系统只抽取地下水的热量而没有补给,所以温度下降显著;A、D组团运行则比较平稳,虽然也出现了小部分分散的冷堆积现象,但是整体温度下降比较少,这是由于其采用的是夏季制冷、冬季供暖的双相运行模式,一定程度上平衡了地下水温度的抽取与补给。 10年相较于初始地温场,B组团整体的平均温度下降约3.9℃,代表井下降最多,达到5.7℃;C 组团整体的平均温度下降约5℃,代表井下降最多,达到6.7℃。已经非常接近回灌井的回灌温度6℃,无法达到供暖需求,需要进一步强化改进。

 

3  太阳能辅助热源系统运行模拟

B、C组团在第10的已经无法满足供暖需求,需要对地下水温度进行补给。可在研究区建立太阳能辅助热源系统,假定在夏季高温时段对场地含水层补给热水,拟定注水温度为45℃, B与C组团抽灌井的抽灌量为80 m3/h,与冬季运行工况相同,其注水时长为期1个月。根据以上强化方案对数值模型进行时长为10的模拟,如图3

 

3   强化后第10模型的温度三维图

由图3可见,在系统运行10后,强化后的冷堆积现象大大减小,而且部分位置出现了热堆积现象,地下水温度得到了明显提高。

强化之前B组团与C组团的代表井是温度下降最多的,为了直观分析强化方案的效果,将模型模拟结果中两口井每年年终时在75 m深度的地下水温度与强化前的温度进行对比,如图4、图5所示。

 

4 强化前后B组团代表井75m深度每年年终时水温

 

5强化前后C组团代表井75m深度每年年终时水温

可以看出,太阳能热补给以3左右的时间将场地B与C组团的地下水温度有效的恢复至正常水平,并遏制了水温的下降趋势,最终对第10的水温具有较大的提升,所以太阳能辅助热源可以改善场地地下水源热泵系统的供暖效果,使设备满足运行10年的预期。

 

4 结论

1)依据场地自然地质条件建立数学研究模型,对比长期监控的数据资料,模拟结果表明该模型较大程度的拟合场地地温场数据。

2)根据模型对场地地下水源热泵系统进行10的地温场预测,各组团均有水温下降现象,其中B和C组团降温较多而且具有大规模冷堆积的现象,不满足10年的使用预期。 

3)根据模型的预测结果,利用太阳能辅助热源系统在夏季高温时段对场地含水层进行热水的补给,该强化方案效果明显,可以提高供暖效果,满足10年的使用预期。

原文链接:

中国知网http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-TKGC201801019.htm

本刊官网http://jour.tkgc.net/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170231&flag=1


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