同井回灌地下水源热泵含水层温度的变化

在冬季制热工况下, 随着热泵的运行, 含水层和其相连顶、底板岩土层的温度会逐渐降低, 但不同位置处温度降低并不相同.图3 给出了含水层及其相连顶、底板岩土层中某几点的温度变化与时间的关系.由图中可以看到:含水层回水口处和抽回水过滤器间隔处温度变化大, 抽水口处温度变化相对较小.

 

  在回水口处(z =40.3 m)热泵运行120 d 时温度降低了8.6 ℃, 抽回水过滤器间隔处(z =28.8 m)温度降低了8.0 ℃, 而抽水口处(z =20.8 m)温度只下降了3.2 ℃.含水层顶、底板岩土层温度亦有变化, 但变化不大.含水层顶板岩土层(z =50.3 m)热泵运行120 d 时温度降低了0.45 ℃, 含水层底板岩土层(z =11.5 m)的温度降低了0.14 ℃.随着热泵运行时间的加长, 含水层顶、底板岩土层温度变化速率越快;越靠近回水口处温度变化越大.井壁温度从回水口往下逐渐升高, 从图中可以看到抽水口处温度是变化的, 其温度由抽水过滤器下缘沿井轴向上逐渐变化, 沿着抽水滤网从下到上温度的降低值从2.5 ℃增加到5.0 ℃, 靠近回水口处的地方温度降低较多, 这是由于回水通过渗透掺混的缘故.在回水口处井壁温度沿井轴基本不变, 其温度已经降低了8.6 ℃, 因此, 为了防止地下水冻结初始地下水温度应不低于13 ℃.

 

  底板岩土层的等温度变化图.由图中可以看到:同井回灌地下水源热泵由于地下水渗流的影响, 使得含水层热影响范围(定义为含水层和其顶、底板温度变化为-0.001 ℃的径向距离)最远达到了74 m , 这比土壤耦合热泵热影响范围大很多(一般为4 ～ 5 m).

 

  正是由于热影响范围的加大, 才使得单口抽灌同井在承担较大负荷时, 抽水温度不至于降得过低.在回水口处温度变化为-5 ℃的等温度变化线在径向方向上达到了48 m , 这又为热泵取热提供一部分新的岩土体.等温度变化线为一束近似的椭圆, 椭圆的长轴在回水口的方向上.这表明回灌口的出水对含水层作用范围大, 而抽水口对含水层作用范围小.在靠近含水层处的含水层顶、底板岩土层的温度亦发生变化, 但影响范围不大, 在轴向方向上含水层顶板影响范围为12 m , 底板为8 m .在含水层和其顶、底板结合面处温度虽然相同, 但温度的变化率(相对于轴向)并不相同, 含水层顶、底板的温度变化率较含水层温度变化率大许多.这是由于含水层较顶、底板岩土层存在对流换热和热弥散作用, 而含水层顶、底板岩土层仅是导热换热, 且导热系数不大(<1.2 W m·℃).

 

  热影响范围随着热泵运行时间的加长而逐渐扩大, 但热影响范围向外延伸的速率越来越小, 这是因为随着影响范围的加大, 受到影响的岩土体积与热影响范围的三次方成正比.因此当影响范围不断地外延时, 新的岩土体不断地参与换热, 在相同热量时, 有利于延缓抽水温度的降低.另外, 由于含水层顶、底板岩土层导热系数较小,不同时刻的等温度变化线在轴向上分布较密, 因此轴向上温度变化较快.