地下水渗流与地缘热泵

地下水渗流对地源热泵的影响

一、 地源热泵技术

是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展，在欧美应用较为广泛，但在我国尚处于起步阶段。

地源热泵工作原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土体）中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中，实现建筑物空调制冷。根据地热交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。

地源热泵性能影响因素主要有：

1.回填材料 有效的回填材料可以防止土壤冻结、收缩、板结等因素对埋管换热器传热效果造成影响，提高埋管换热器的传热能力，同时也可有效防止地下污染物对埋管的不利影响，因此选择适当的回填材料对地源热泵的性能起着重要的作用。目前应用的回填材料主要有沙土混合物、水泥灰浆、火山灰黏土、钻孔岩浆、铁屑砂混合物等。

2.埋管形式 对于地源热泵的埋管形式一般可分为水平埋管和

垂直埋管。由于水平埋管通常是浅层埋管，因此相对于垂直埋管而言换热能力小，但初投资少。在实际运用中，垂直埋管多于水平埋管。对于水平埋管，按照埋设方式可分为单层埋管和多层埋管两种类型，按照管型的不同，又可分为直管和螺旋管两种。由于大地表层的温度分布曲线在夏季是随深度的增加而降低，因此多层埋管形式下层管段处于一个较低的温度场，传热条件优于单层管，也即换热效果要比单层管好。单层管最佳深度为０８～1０ｍ，双层管为12～19ｍ，所以在实际运用中，单层管和多层管可互相搭配。为强化传热，水平埋管可采用螺旋管，其性能系数要优于直管。螺旋管形式的热泵ＣＯＰ系数比直管高02，单位埋管换热量增加近１０Ｗ／ｍ。因此，可利用土壤面积较小时，宜采用螺旋管形式。

3.管材热特性 地下埋管换热器与土壤换热量的大小，受很多因素的影响，不仅与管材的热导率有关,还应考虑管材的承压能力、抗扭曲能力等。

4.岩土热特性 土壤的基本成分是矿物质、有机质、水分和空气。在土壤组成成分中，空气的热传导系数最小，矿物质的热传导系数最大，为空气的100倍，水的热传导系数介于两者之间。地源热泵系统的性能与土壤性能是紧密相关的，而土壤性能又和土壤的含水量有关。根据研究表明，潮湿土壤的地源热泵性能系数ＣＯＰ要比干燥土壤的ＣＯＰ高３５％。当土壤含水量低于ｌ５％时，随着含水量的降低，热泵的循环性能系数将迅速下降；土壤含水量在２５％以上，地源热泵的性能将会得到有效的提高；而当含水量超过５０％后，热

泵循环性能系数提高的趋势减缓。岩石孔隙率的大小、孔隙中填充物的导热性以及湿度对岩石热导率有明显影响。一般而言，同一种岩石，孔隙率大的岩石的热导率小，而且，如果孔隙中填充热导率大的物质，则可使岩石热导率增加。含水岩石的热导率大大高于干燥岩石和水的热导率。同一地区地下岩土的热物性及含湿量都可能存在或大或小的差异。因此，可采取更稳定的回填介质、添加能降低土壤临界含湿量的介质、采用人工加湿等必要技术措施加以改善。

5.地下换热器介质循环流量 地下换热器的介质循环流量越大，单位埋管换热量越大，能效比也越大，但过大的循环流量必然导致埋管系统运行能耗的增加；而循环流量过低，可能会产生结冰现象。因此，适宜的运行参数要通过分析系统的各个组成部分的性能而确定。

6.管间距 在Ｕ形管的埋设中很重要的是要考虑Ｕ形管之间以及Ｕ形管本身进出管之间温度场的相互影响。工程上对于２０ｍｍ和１５ｍｍ的小管径，间距取为３ｍ左右，而对于２５～３２ｍｍ的大管径，间距保持在５～７ｍ为宜。一般来说，在相同情况下，管径越大，换热能力越强，水平温度场影响距离越大，因此，水平间距也要大些。

7.地温 地源热泵地下换热器的物理尺寸与地下温度场有直接的联系。因为地点不同，纬度及地下岩土材料不同，相应的地下温度场也有差异，而地下温度场及地下岩石温度又直接决定了地下换热器的物理尺寸。

二、地下水渗流

渗流指地下水在岩石空隙中的运动称为渗透(流)。发生渗流的区域称为渗流场。岩石具有被水透过的性质称为渗透性(透水性)。理想渗流指地下水充满整个含水层（包括空隙和固体骨架）。

理想渗流应具有以下性质： 理想渗流通过任意断面的流量应等于真实水流通过同一断面的实际流量； 理想渗流在任意断面的压力或水头必须等于真实水流在同一断面的压力或水头；理想渗流通过岩石所受到的阻力必须等于真实水流所受到的阻力。 （一）过水断面

指含水层中水与渗流流向垂直的的断面，包括骨架和空隙在内的断面。可以是平面，也可是曲面，其大小可随渗流方向变化。

实际过水断面面积指扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积。 一种假想的流速，不是地下水的真正渗透流速，而是假设水流通过包括骨架与空隙在内的整个断面时所具有的一种虚拟流速。

渗透流速（V） 实际流速（u）

Q

?

? V

Q?'?u 两者的关系：

V?une???ne' ne有效孔隙度，为重力水流动的空隙空间。

（二）水力坡度：

指沿渗透途径上的水头降低值(损失)与相应的渗流长度之比。

H1?H2?HhI???L1?2LL物理含义：代表渗流过程中，单位渗透途径上机械能的损失。 渗流过程中总机械能的损耗原因(与水力学相近)：液体的粘滞性(水质点间的摩檫阻力)及固体颗粒表面对水流的反作用力(水与隙壁间的阻力)。 （三）流线与流网

流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切。

迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹（稳定流条件下流线与迹线重合）。

等水头面：渗流场中水头值相等的各点连接起来在空间上构成的面。可以是平面或是曲面。

等水头线：平面上或剖面上水头相等的线。 （四）流网特点

1. 流线与等水头线垂直（正交）；

2. 相邻两条等势线间的势差为常量，相邻两条流线间的通量为常量；

3. 等水头线（面）与流线（面）不是两个独立问题，知道一方就可据正交原则推求另一方。

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