地下水源熱泵系統和太陽能輔助熱源系統的地溫場數值模擬研究

最新 06-08

引用格式

呂天奇,張延軍,於子望,等.地下水源熱泵系統和太陽能輔助熱源系統的地溫場數值模擬研究[J].探礦工程（岩土鑽掘工程），2018，45（1）：79-83.

摘要

地下水源熱泵系統的地溫場數值模擬研究對淺層地熱能開發利用項目具有重要意義。通過TOUGH2建立地下水源熱泵系統的水-熱耦合模型，模擬了研究區多年地溫場變化趨勢以及抽灌井溫度變化。結果表明地下水源熱泵系統運行10年後部分組團出現大量冷堆積現象，影響供暖溫度。依據本結果，結合場地條件，針對冷堆積現象採用太陽能輔助熱源系統進行系統強化設計，並模擬研究強化後的地溫場多年變化趨勢，結果表明太陽能輔助熱源系統可以有效提高供暖溫度。

關鍵詞

地下水源熱泵；太陽能輔助熱源；淺層地熱能；TOUGH2；數值模擬；地溫場；強化設計

正文

地下水源熱泵系統作為地源熱泵系統的一種，是21世紀比較具有發展前景的研究方向。對地下水源熱泵的運行進行數值模擬以分析預測其可行性，並針對缺陷進行優化處理，是比較常用的開發利用淺層地熱能資源的前期研究手段。

1工程概況

唐山市地下水源熱泵項目劃分分為A、B、C、D四處組團，共佔地面積約為45萬m2，共有井70口，為了獲得該地區較大時間跨度內的地溫場數據，從中選取22處觀測井進行地溫場長期觀測，其中抽水、回灌和飲水用途的井分別為9口、10口和3口。

2地下水源熱泵系統群井模型

模擬研究採用TOUGH2軟體。模型依據場地實際大小設置，長度1500 m，寬度1050 m，厚度150 m。X、Y和Z三個軸面分別劃分為13層、13層和40層。對模型進行條件設置，平均抽水量90 m3/h，地下水平均溫度5℃，深度範圍60-90 m，四周均為恆溫邊界，地下水溫度14℃，地下水從北東向向南西向流動。

模擬3年的場地地溫場數據，如圖1所示（字母代表組團名、綠色線條代表觀測井、綠色線條中間紅色方塊代表換熱儲層、模型顏色變化代表溫度變化，以下圖示相同）。可以看到，B組團與C組團地溫場出現少量冷堆積，A組團與D組團地溫場溫度下降很少。

圖1第3年模型的溫度三維圖

選取各組團中最具代表性的一口觀測井進行進行實測與模擬的對比。由實測數據可知，各井溫度隨著時間變化的趨勢與模擬溫度趨勢線基本擬合。例如A組團代表井在圖像上其實測溫度趨勢線的函數為y = 0.0012x + 12.198，模擬溫度趨勢線的函數為y = 0.0018x + 12.038。可以基本肯定該數值模擬模型具有該場地模擬與預測的可行性，比較滿足場地的實際情況。

利用模型進行研究區未來10年地溫場的數值模擬，其溫度三維圖如圖2所示。

圖2第10年模型的溫度三維圖

在第10年的時候，B、C組團運行出現了比較明顯的冷堆積，且具有較大的影響半徑，這是由於其地下水源熱泵系統採用的是冬季供暖的單相運行模式，系統只抽取地下水的熱量而沒有補給，所以溫度下降顯著；A、D組團運行則比較平穩，雖然也出現了小部分分散的冷堆積現象，但是整體溫度下降比較少，這是由於其採用的是夏季製冷、冬季供暖的雙相運行模式，一定程度上平衡了地下水溫度的抽取與補給。第10年相較於初始地溫場，B組團整體的平均溫度下降約3.9℃，代表井下降最多，達到5.7℃；C組團整體的平均溫度下降約5℃，代表井下降最多，達到6.7℃。已經非常接近回灌井的回灌溫度6℃，無法達到供暖需求，需要進一步強化改進。

3太陽能輔助熱源系統運行模擬

B、C組團在第10年的已經無法滿足供暖需求，需要對地下水溫度進行補給。可在研究區建立太陽能輔助熱源系統，假定在夏季高溫時段對場地含水層補給熱水，擬定注水溫度為45℃，B與C組團抽灌井的抽灌量為80 m3/h，與冬季運行工況相同，其注水時長為期1個月。根據以上強化方案對數值模型進行時長為10年的模擬，如圖3。