王松慶 賀士晶

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

嚴寒地區(qū)地下水源熱泵運行方式適宜性研究★

王松慶 賀士晶

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

基于顆粒遷移理論，以嚴寒地區(qū)某工程為例，對嚴寒地區(qū)地下水源熱泵采用不同運行方式對含水層參數(shù)的影響進行研究，結(jié)果表明在嚴寒地區(qū)采用變流量運行方式對含水層參數(shù)的影響較小，宜在嚴寒地區(qū)地下水源熱泵工程中得到推廣。

嚴寒地區(qū)，地下水源熱泵，運行方式

0 引言

地下水源熱泵由于其節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，近些年來在我國得到了較為廣泛的應用。Freedman等[1]針對地下水源熱泵應用對熱環(huán)境的影響進行了評價分析；張慶等[2]對天然冷源對地下水源熱泵運行的影響進行了研究；徐偉等[3]對地下水源熱泵在我國應用的適宜性問題進行了分析；王現(xiàn)國等[4]利用HST3D軟件分析了地下水源熱泵運行期間水熱的變化特征；張超等[5]對熱回收型地下水源熱泵系統(tǒng)的運行性能進行了研究。以上研究主要是從地下水源熱泵運行性能等方面進行研究。但是由于地下水源熱泵需要的水源來自地下空間，不能忽視地下水源熱泵運行對地下空間的影響，應有效避免由于長期抽水而引起的取水系統(tǒng)失效問題而造成地下水源熱泵系統(tǒng)無法使用的嚴重后果。本文以顆粒遷移理論為基礎，選取嚴寒地區(qū)某辦公建筑為案例，對地下水源熱泵不同運行方式的適應性進行研究，討論不同運行方式對含水層的影響，為嚴寒地區(qū)地下水源熱泵工程合理選擇運行方式提供參考。

1 顆粒遷移理論

1.1 顆粒遷移數(shù)學模型

顆粒遷移問題產(chǎn)生的主要原因是由于當滿足某些條件時，含水層顆粒會脫離含水層骨架隨著地下水一起運動，產(chǎn)生顆粒遷移問題。顆粒遷移問題數(shù)學模型的建立主要基于表征體元法[7，8]。數(shù)學模型如式(1)～式(3)所示[8，9]。

(1)

(2)

(3)

其中，φ為孔隙率；c為顆粒濃度；ρs為固體骨架的密度，kg/m3；v為滲透速度，m/s；m為侵蝕率，kg/(m3·s)，m是孔隙率，顆粒濃度等參數(shù)的函數(shù)[9]，即：

(4)

其中，λ為侵蝕參數(shù)，1/m，對于同一含水層可看作是常數(shù)；vcr為臨界滲透速度，m/s。

1.2 顆粒遷移對含水層參數(shù)的影響

地下水源熱泵取水井的單井取水量可通過地下水動力學中的相關知識求得[10]：

Q=KJA

(5)

v=KJ

(6)

其中，Q為取水量，m3/s；K為滲透系數(shù)，m/s。

2 變流量運行方式研究

在夏季和冬季工況時，地下水源熱泵所需總水量可分別按式(7)和式(8)計算[11]。

(7)

(8)

其中，GS1為夏季制冷工況所需地下水量，m3/h；QL為夏季熱泵機組總制冷量，kW；Δts為地下水進出熱泵機組溫差，℃；EER為夏季熱泵機組的能效比；GS2為冬季制熱工況所需地下水量，m3/h；QR為冬季熱泵機組總制熱量，kW；COP為冬季熱泵機組的性能系數(shù)。

3 案例研究

本文采用定溫差控制法作為控制方法。假設冬夏季進出熱泵機組水的溫差均為5 ℃。水量調(diào)節(jié)范圍選取為50%～100%，調(diào)節(jié)幅度為±10%，與空調(diào)負荷率成正比關系。當負荷率小于50%時，按照空調(diào)負荷率50%選取。本文地下水源熱泵工程選取嚴寒地區(qū)沈陽市某辦公建筑，對該建筑全年動態(tài)空調(diào)負荷進行計算和分析，選取兩個不同類型的含水層進行案例研究，討論嚴寒地區(qū)地下水源熱泵不同運行方式對含水層參數(shù)變化特性的影響。通過計算分析可知，冬夏季動態(tài)負荷的最大值分別為夏季764.12 kW，冬季613.3 kW，空調(diào)負荷累計時間頻數(shù)如表1所示。冬夏季所需水量分別為：GS1=160 m3/h；GS2=79.16 m3/h。

表1 空調(diào)負荷累計時間頻數(shù) %

本案例選用3口完整井，單井取水量為53.33 m3/h，假設含水層各向同性均質(zhì)，含水層厚度為25 m。地下水源熱泵機組夏季運行時，其最小取水量為0.5GS1。該水量大于冬季需要的總水量GS2。因此地下水源熱泵冬季運行時，總水量可選取為0.5GS1。假設熱泵機組運行抽取的地下水可以100%回灌。不同含水層相關參數(shù)見表2。

首先，對不同運行方式對井壁處孔隙率的影響進行分析。由圖1可知，對于案例1，分別采用定流量運行方式與變流量運行方式，地下水源熱泵運行5年后，井壁孔隙率與初始值相比，分別增大6.48%和3.39%，變流量運行方式對含水層孔隙率的影響為定流量運行方式的52%。對于案例2，分別采用定流量運行方式與變流量運行方式，地下水源熱泵運行5年后，井壁孔隙率與初始值相比，分別增大10.97%和5.84%，變流量運行方式對含水層孔隙率的影響僅為定流量運行方式的53%。可見，即使都處于滲透速度大于臨界滲透速度的最為不利的情況，與地下水源熱泵采用定流量運行方式相比，變流量運行方式可以有效減少熱泵運行給孔隙率造成的影響。

表2 不同含水層相關參數(shù)

其次，對不同工況運行方式對井壁處滲透系數(shù)的影響進行分析。由圖2可知，對于案例1，采用定流量運行方式與變流量運行方式相比，地下水源熱泵運行5年后，井壁滲透系數(shù)與初始值相比，分別增大32.1%和15.81%，變流量運行方式對含水層孔隙率的影響為定流量運行方式的49%。對于案例2，采用定流量運行方式與變流量運行方式相比，地下水源熱泵運行5年后，井壁孔隙率與初始值相比，分別增大62.64%和29.82%，變流量運行方式對含水層孔隙率的影響僅為定流量運行方式的48%。

綜上可見，在嚴寒地區(qū)地下水源熱泵采用變流量運行方式與

定流量方式相比，其對含水層參數(shù)(如孔隙率、滲透系數(shù)等)的影響程度大大減少，有利于保持地下空間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以有效預防取水系統(tǒng)失效問題的發(fā)生，是一種“安全性”較高的運行方式。因此，在嚴寒地區(qū)的地下水源熱泵工程宜采用變流量運行方式，應在工程上得到推廣和應用。

4 結(jié)語

1)在嚴寒地區(qū)地下水源熱泵采用變流量運行方式對含水層參數(shù)的影響較小，可以有效避免地下水源熱泵取水系統(tǒng)失效問題的發(fā)生；2)在嚴寒地區(qū)的地下水源熱泵工程宜采用變流量運行方式，應在工程上得到推廣和應用。

[1] Freedman V L,Waichler S R,Maxkley R D,et al.Assessing the thermal environmental impacts of an groundwater heat pump in southeastern Washington State[J].Geothermics,2012,42(4):65-77.

[2] 張 慶，張延軍，周炳強，等.天然冷源對地下水源熱泵的影響規(guī)律[J].吉林大學學報(地球科學版),2013,43(2):537-543.

[3] 徐 偉，王貴玲，鄒 瑜，等.中國地下水源熱泵技術適宜性研究[J].建筑科學,2012,28(10):4-8.

[4] 王現(xiàn)國，葛 雁，周奇蒙，等.地下水源熱泵運行期間水熱變化模擬分析[J].水電能源科學,2012,30(2):139-141.

[5] 張 超，周光輝，劉 寅.熱回收型地下水源熱泵系統(tǒng)性能研究[J].可再生能源,2013,31(7):93-96.

[6] 楊 清.關于水源熱泵水源問題的探討[J].工程建設與設計，2004，52(6)：5-7.

[7] 王松慶，張 旭.地下水源熱泵定壓差取水方式對含水層滲透性的影響[J].中南大學學報(自然科學版),2011,42(6):1624-1628.

[8] WANG Song-qing,ZHANG Xu.Variation characteristics of aquifer parameters induced by groundwater source heat pump operation under variable flow[J].Journal of Central South University of Technology,2011,18(4):1272-1277.

[9] Stavropoulou M,Papanastasiou P,Vardoulakis I.Coupled wellbore erosion and stability analysis[J].International Journal for Numerical and Analytical methods in Geomechanics,1998,22(9):749-769.

[10] Papamichos E,Vardoulakis I.Sand erosion with a porosity diffusion law[J].Computers and Geotechnics,2005,32(1):47-58.

[11] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Analysis on suitability of operation modes with groundwater source heat pump in severe cold region★

WANG Song-qing HE Shi-jing

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the theory of particle migration, the analysis on variation characteristics of aquifer parameters, induced by groundwater source heat pump operation under different operation mode, was carried out by a case study in severe cold region. The present study, compared with the constant flow operation, indicates that the influence on the variations of aquifer parameters under variable flow operation is smaller in severe cold region. The variable flow operation should be popularized to groundwater source heat pump projects in severe cold region.

severe cold region, groundwater source heat pump, operation mode

1009-6825(2014)03-0138-02

2013-11-14★：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(項目編號：DL11BB30)；黑龍江省教育廳科學科技研究項目(項目編號：12533012)

王松慶(1982- )，男，博士，講師； 賀士晶(1983- )，女，博士，講師

TU833

A