廖榮,丁躍元,劉立才,羅遵蘭

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;2.北京市水務(wù)局,北京 100038;3.北京市水利科學(xué)研究所,北京100044;4.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012)

地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行制冷和供暖的采能技術(shù),最早出現(xiàn)于美國(guó)20世紀(jì)40年代,由于其環(huán)境效益顯著,運(yùn)行效率較高,在歐洲及美國(guó)迅速發(fā)展[1]。我國(guó)于20世紀(jì)末引入該技術(shù),在北京、上海及廣州等地得到了推廣應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),僅北京地區(qū)的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)已達(dá)400余家,服務(wù)建筑面積達(dá)400萬(wàn)m2。地下水源熱泵系統(tǒng)主要由地下水抽灌井、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)終端組成,以地下水為介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞,形成抽灌井間水熱循環(huán)、熱泵機(jī)組水熱循環(huán)及室內(nèi)空調(diào)水熱循環(huán)等三個(gè)水-熱耦合循環(huán)。在夏季制冷期,熱泵系統(tǒng)將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)入地下水,在冬季供暖期則利用地下水熱量為室內(nèi)供暖。熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行期間,需抽灌地下水完成熱量轉(zhuǎn)移,對(duì)抽灌區(qū)的地下水動(dòng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)及地下水水質(zhì)等方面會(huì)造成一定影響。筆者根據(jù)北京市多個(gè)地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)資料,對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中地下水動(dòng)力場(chǎng)影響范圍、地溫場(chǎng)變化、地下水水質(zhì)及細(xì)菌變化進(jìn)行分析研究。

1 地下水動(dòng)力場(chǎng)影響范圍的確定

熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)地下水環(huán)境最直接的影響為地下水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化。含水層熱量傳遞方式主要為熱對(duì)流和熱傳導(dǎo),地下水的熱導(dǎo)率約為0.6W/(m?℃),低于含水層介質(zhì)的,單純地下水的熱傳導(dǎo)作用對(duì)熱量傳輸?shù)呢暙I(xiàn)不大。但地下水的比熱較大,是良好的天然載熱流體。在地下水流動(dòng)較為活躍的地區(qū),地下水的熱對(duì)流作用十分顯著,對(duì)區(qū)域地溫場(chǎng)的分布起著主導(dǎo)作用[2-6]。因此,估算出地下水抽灌引起的水動(dòng)力場(chǎng)影響范圍,即可判斷分析地下溫度場(chǎng)的影響范圍。

地下水水源熱泵系統(tǒng)一般為群井抽灌,在等量抽灌的條件下,利用地下水動(dòng)力學(xué)中的泰斯井流和疊加原理可計(jì)算出抽灌井群的地下水動(dòng)力場(chǎng)影響范圍。假定熱泵應(yīng)用場(chǎng)的抽水井?dāng)?shù)為 n,回灌井?dāng)?shù)為m,地下水抽灌循環(huán)量為Q(m3/d)。因地下水抽灌要求同層回灌,不論抽灌井穿過(guò)幾個(gè)含水層,均可以根據(jù)各含水層的滲透系數(shù)和厚度,求得利用含水層的等效滲透系數(shù),等效滲透系數(shù)與含水層總厚度的乘積即為等效導(dǎo)水系數(shù)Te(m2/d)。假定場(chǎng)地等效含水層的彈性貯水系數(shù)為 μ,場(chǎng)地任一點(diǎn)距第 i眼抽水井的距離為ri(i=1,2,3,…,n),距第j眼回灌井的距離為Rj(j=1,2,3,…,m)。根據(jù)泰斯井流公式,第i眼抽水井作用于場(chǎng)地任一點(diǎn)的水位降深為

根據(jù)疊加原理,所有抽水井作用于任一點(diǎn)處的水位總降深為

假定抽水與回灌同步,二者之間沒(méi)有時(shí)間差,依然根據(jù)疊加原理,所有回灌井作用于任一點(diǎn)處的水位總降深為

再據(jù)疊加原理,所有抽水井和回灌井作用于場(chǎng)地任一點(diǎn)處的水位總降深為

根據(jù)推導(dǎo)出的水位總降深S公式,其中沒(méi)有時(shí)間t與彈性貯水系數(shù)μ項(xiàng),這表明,因地下水抽灌平衡,沒(méi)有消耗地下水資源的儲(chǔ)存量,抽灌過(guò)程中抽灌場(chǎng)地的地下水動(dòng)力場(chǎng)是穩(wěn)定的。由任一點(diǎn)的水位總降深公式,可利用相關(guān)軟件繪制抽灌場(chǎng)地的水位降深等值線圖。根據(jù)水位總降深S公式,距離抽灌場(chǎng)地越遠(yuǎn),任一點(diǎn)距抽水井的距離與距回灌井的距離趨于相等,為此,抽灌場(chǎng)地的地下水動(dòng)力場(chǎng)影響范圍以多大的降深值為界限值得關(guān)注。一般可以認(rèn)為,以±5～10cm為界限較為適宜。

如果抽出的地下水不能實(shí)現(xiàn)完全回灌,消耗了地下水儲(chǔ)存量,則抽灌場(chǎng)地任一點(diǎn)處的水位降深將與熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間t、含水層的釋水系數(shù) μ有直接關(guān)系,地下水抽灌引起的地下水動(dòng)力場(chǎng)的影響范圍將大于等量抽灌條件下的影響范圍。

根據(jù)上述推導(dǎo)出的抽灌場(chǎng)地水位降深計(jì)算公式,以北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,進(jìn)行了觀測(cè)井的水位降深驗(yàn)證,計(jì)算降深與實(shí)測(cè)降深基本一致。該項(xiàng)目為兩抽三灌,共有5組觀測(cè)井,以2#觀測(cè)井為例,該井與抽水井距離分別為41m、94m,與回灌井距離分別為64m、37m、30m,其水位變幅計(jì)算值為20cm,實(shí)測(cè)值為17cm。

2 對(duì)地下溫度場(chǎng)的影響

熱泵系統(tǒng)運(yùn)行周期分為4個(gè)階段,即夏季制冷期、間歇期、冬季供暖期、間歇期,地下水溫度隨著運(yùn)行階段的變化也將發(fā)生周期性的上升和下降。北京市海淀區(qū)某地下水源熱泵項(xiàng)目為一抽兩灌,抽水井與1#回灌井的距離為50m,與2#回灌井的距離為20m。冬季利用1#回灌井回灌,夏季利用2#回灌井回灌。根據(jù)運(yùn)行過(guò)程中蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出水的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在冬季供暖期,熱泵系統(tǒng)從地下提取熱量,使地下水回水的溫度降低,進(jìn)而使含水層的溫度降低。由于抽灌井之間的距離較大,低溫回灌水基本沒(méi)有影響到抽水井,抽水井的溫度一直保持在14.5℃左右(圖1)。而在夏季制冷期,熱泵系統(tǒng)將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移進(jìn)含水層,致使地下水回水溫度升高,因抽灌井之間的距離較短,在短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了“熱突破”現(xiàn)象,抽水井的溫度隨著回灌井溫度的升高而升高(圖1)。

圖1 地下水進(jìn)出口和室內(nèi)空調(diào)水進(jìn)出口溫度變化

圖2 北京市豐臺(tái)區(qū)某水源熱泵抽灌井分布示意圖

根據(jù)熱泵系統(tǒng)不同運(yùn)行階段對(duì)地下水溫度的影響,進(jìn)一步認(rèn)為,熱泵系統(tǒng)初始運(yùn)行期是夏季還是冬季,制冷期注入地下的熱量與采暖期自地下采出的熱量是否平衡,直接影響熱泵應(yīng)用場(chǎng)地地下溫度場(chǎng)的變化,并極有可能影響到熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。由于缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)資料,采用熱傳遞數(shù)值法模擬預(yù)測(cè)上述各種情況的地下溫度場(chǎng)變化?，F(xiàn)以北京市豐臺(tái)區(qū)某水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用有限差分法(FDM)數(shù)值模擬方法[7],選用HST3D模擬軟件,模擬預(yù)測(cè)不同運(yùn)行工況下10a運(yùn)行期的地下溫度場(chǎng)變化。HST3D軟件可模擬地下水滲流、溶質(zhì)運(yùn)移和熱傳遞[8],在研究北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)某水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)場(chǎng)地的地下溫度場(chǎng)變化時(shí)曾使用過(guò)[9],驗(yàn)證了該軟件的正確性。

豐臺(tái)區(qū)某水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要用于辦公區(qū)和生活區(qū)的制冷和供暖,該項(xiàng)目共有2個(gè)抽水井,4個(gè)回灌井,抽灌井布局如圖2所示。冬季供暖負(fù)荷為1790kW,兩抽四灌,抽灌量為5280m3/d,運(yùn)行時(shí)間為120d。夏季制冷負(fù)荷為740kW,一抽(1#)兩灌(3#、4#),抽灌量為2184m3/d,運(yùn)行時(shí)間為90 d。項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)第四系地層厚度為72.5m,地層呈中粗砂、砂礫石與粉質(zhì)黏土交互,共有5個(gè)含水層,含水層的總厚度為34m,下部隔水層為寒武系頁(yè)巖。場(chǎng)地的地下水靜水位埋深為17.5m。水文地質(zhì)與熱力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及當(dāng)?shù)氐某樗囼?yàn)數(shù)據(jù)和熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果選取,自上而下各地層參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)這些參數(shù),可直接模擬預(yù)測(cè)不同工況下的地下溫度場(chǎng)變化。

表1 各地層水文地質(zhì)參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果表明,熱泵系統(tǒng)起始運(yùn)行期的選擇及年內(nèi)冷熱量是否平衡對(duì)抽灌區(qū)地溫場(chǎng)具有重大影響,對(duì)熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有趨利避害的重要指導(dǎo)作用。

模擬工況1:假設(shè)熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷均為1790kW,供暖期與制冷運(yùn)行時(shí)間相等,抽灌量均為5280m3/d,地下水溫度初值為15℃。分別以冬季供暖期及夏季制冷期為起始運(yùn)行期,模擬熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)用場(chǎng)地地溫場(chǎng)的歷時(shí)變化,模擬結(jié)果如圖3。由圖3可見(jiàn),熱泵系統(tǒng)的起始運(yùn)行期對(duì)地溫場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)為,如果起始運(yùn)行期為冬季供暖期,則在后期運(yùn)行中,地溫場(chǎng)的平均溫度低于背景值15℃,而起始運(yùn)行期為夏季時(shí),則高于背景值15℃。此外,建筑物所需冷熱量平衡條件下,熱泵系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,地溫變化在高低循環(huán)往復(fù)中較為平穩(wěn),未呈現(xiàn)出趨冷或趨熱的變化。

圖3 不同起始運(yùn)行期地下水溫度變化曲線

模擬工況2:熱泵在保持現(xiàn)狀冷熱負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間的條件運(yùn)行,地下水溫度初值為15℃。模擬結(jié)果如圖4所示,可以看出,在熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,地溫在高低循環(huán)往復(fù)變化中呈降低趨勢(shì),并漸趨平穩(wěn)?？梢?jiàn),當(dāng)建筑物所需熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷時(shí),每年都要消耗場(chǎng)地的部分淺層地?zé)崮芤詽M足建筑物采暖要求,從而導(dǎo)致熱泵場(chǎng)地的溫度降低。在消耗部分淺層地?zé)崮艿耐瑫r(shí),周圍的熱量不斷向抽灌場(chǎng)地傳遞,地溫場(chǎng)影響范圍不斷增加,久而久之,外圍傳遞進(jìn)來(lái)的熱量與消耗的淺層地?zé)崮軡u趨平衡,地溫變化漸趨平穩(wěn)。

模擬工況3:假設(shè)熱泵系統(tǒng)冷負(fù)荷為1790 kW,熱負(fù)荷為740kW,地下水溫度初值為15℃。模擬結(jié)果如圖4,可以看出,當(dāng)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷時(shí),每年都要向地下儲(chǔ)存部分地?zé)崮?致使地溫呈上升趨勢(shì),并漸趨平穩(wěn)。

圖4 冷熱負(fù)荷失衡條件下地下水溫度變化曲線

由上述地下溫度數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)建筑物所需冷熱負(fù)荷平衡時(shí),因場(chǎng)地溫度變化較為穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)趨高或趨低的現(xiàn)象,夏季、冬季均可以作為熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的起始期。而當(dāng)熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷時(shí),消耗部分場(chǎng)地淺層地?zé)崮?年際運(yùn)行過(guò)程中場(chǎng)地溫度呈降低趨勢(shì),熱泵系統(tǒng)運(yùn)行起始期應(yīng)選在夏季;當(dāng)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷時(shí),儲(chǔ)存部分熱量于地下,年際運(yùn)行過(guò)程中場(chǎng)地溫度呈升高趨勢(shì),熱泵系統(tǒng)運(yùn)行起始期應(yīng)選在冬季。

3 對(duì)地下水水質(zhì)的影響

在熱泵運(yùn)行期間,抽灌區(qū)地下水流場(chǎng)及地下水溫度均會(huì)發(fā)生變化。為了解熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中地下水水質(zhì)的變化,對(duì)北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了為期5個(gè)月的觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間為2003年11月19日～2004年2月26日,期間熱泵系統(tǒng)處于冬季運(yùn)行狀態(tài),筆者選取距離抽灌區(qū)最近觀測(cè)井為研究對(duì)象,觀測(cè)期間該井溫度從14.5℃(2003年 11月12日)降至 9.5℃(2002年2月19日),各指標(biāo)變化情況如表2所示。

值得注意的是,在供暖期觀測(cè)井中“三氮”質(zhì)量濃度變化具有較強(qiáng)的規(guī)律性,質(zhì)量濃度不斷升高,而和的質(zhì)量濃度則不斷降低,如圖5所示。這是由于該觀測(cè)井距回灌井最近,回灌過(guò)程中空氣隨回灌水進(jìn)入含水層,和在硝化菌的參與下被氧氣硝化為導(dǎo)致“三氮”質(zhì)量濃度的上述變化規(guī)律。

圖5 NO3--N、NO2--N、NH4+-N 質(zhì)量濃度歷時(shí)變化曲線

總之,供暖期的各觀測(cè)孔的水質(zhì)變化表明,在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,地下水水質(zhì)質(zhì)量濃度沒(méi)有發(fā)生大的改變,較為穩(wěn)定。

4 對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響

在地下水環(huán)境中,溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。根據(jù)北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)水源熱泵運(yùn)行期間的觀測(cè),地下水的溫度變化對(duì)大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)的影響較為明顯。從所有觀測(cè)孔的地下水溫度與大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)的散點(diǎn)圖(圖6、圖7)及其包絡(luò)線可以看出,大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)的高值區(qū)域相對(duì)集中于溫度為13.2℃兩側(cè)的小范圍內(nèi),隨著溫度向兩側(cè)趨高和趨低,大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)均呈降低的態(tài)勢(shì),大致符合正態(tài)分布。

表2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)質(zhì)量濃度

圖6 地下水溫度與大腸桿菌數(shù)散點(diǎn)圖

圖7 地下水溫度與細(xì)菌總數(shù)散點(diǎn)圖

地下水中的細(xì)菌容量包絡(luò)線隨地下水溫度的變化呈正態(tài)分布的變化趨勢(shì),可擬合出兩者間的正態(tài)分布曲線。大腸桿菌容量與溫度的關(guān)系式為:

細(xì)菌容量與溫度的關(guān)系式為:

伴隨著水源熱泵系統(tǒng)制冷供暖的交替運(yùn)行,地下水溫度也不斷發(fā)生變化,尤其在回灌井附近區(qū)域,地下水溫度的高低交替變化非常顯著,地下水溫度始終處于動(dòng)態(tài)變化之中。溫度太高或太低,都會(huì)抑制細(xì)菌群體的生長(zhǎng)速率。

5 結(jié) 論

熱泵系統(tǒng)場(chǎng)地觀測(cè)資料及地下溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬表明,系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)地下水流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、水質(zhì)及微生物生長(zhǎng)均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

a.水源熱泵場(chǎng)地地下水的抽灌將引起地下水流場(chǎng)的變化,抽灌平衡時(shí)地下水流場(chǎng)的影響范圍主要與含水層導(dǎo)水系數(shù)、抽灌量及與抽灌井距離有關(guān)。

b.冷熱負(fù)荷平衡可使熱泵系統(tǒng)保持較高運(yùn)行效率,利于系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行。冷熱失衡條件下,含水層良好的儲(chǔ)能特性受到抑制,抽灌區(qū)地下水趨冷或趨熱,影響熱泵運(yùn)行效率。

c.當(dāng)建筑物所需年內(nèi)冷熱負(fù)荷不平衡時(shí),如熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷,熱泵系統(tǒng)運(yùn)行起始期應(yīng)選在夏季;如當(dāng)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷,熱泵系統(tǒng)運(yùn)行起始期則應(yīng)選在冬季。

d.在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,地下水水質(zhì)濃度變化不大。不受含水層氧化還原環(huán)境影響的較穩(wěn)定的化學(xué)組分水質(zhì)濃度變化平穩(wěn);而“三氮”受空氣進(jìn)入含水層影響,呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

e.細(xì)菌容量與地下溫度之間的正態(tài)分布關(guān)系表明,場(chǎng)地溫度或高或低均不利于細(xì)菌的生長(zhǎng)。

[1] 倪龍,封家平,馬最良.地下水源熱泵的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2004,23(2):26-31.

[2] MANSURE A J,REITER M.A vertical groundwater movement correction for heat flow[J].Journal of Geophysical Research,1979,84(B7):3490-3496.

[3] WOODBURY A D,SMITH L.On the thermal effects of threedimensional groundwater flow[J].Journal of Geophysical Research,1985,90(B1):759-767.

[4] DEMING D.Regional permeability estimates from investigations of coupled heat and groundwater flow,north slope of Alaska[J].Journal of Geophysical Research,1993,98(B9):16271-16286.

[5] MONGELLI F,PAGLIARULO P.Influence of water recharge on heat transfer in a semi-infinite aquifer[J].Geothermics,1997,26(3):365-378.

[6] ROSENBERG N D,FISHER A T,STEIN J S.Large-scale lateral heat and fluid transport in the seafloor:revisiting the well-mixed aquifer model[J].Earth and Planetary Science Letters,2000,182:93-101.

[7] 郝治福,康紹忠.地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(1):77-81.

[8] KIPP K L.Guide to the revised heat and solute transport simulator:HST3D-Version 2[M].Dener,Colorado:US Geological Survey,1997:1-49.

[9] 張遠(yuǎn)東,魏加華,李宇,等.地下水源熱泵采能的水-熱耦合數(shù)值模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2006(8):909-911.