單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)地下水流動及其傳熱特性研究.pdf

1、單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)作為一種新型的地下水源熱泵系統(tǒng)熱源井，目前共有三種形式，即循環(huán)單井、抽灌同井和填礫同井。它們均將抽水管和回水管置于一口井內，在井的下部抽水，上部回水。循環(huán)單井是在基巖層中直接開孔，大部分水在井孔之內循環(huán)，與井壁發(fā)生熱量交換；少部分水進入井孔，并進入含水層與其進行原水交換；抽灌同井在井孔內部加設了隔板，將熱源井分為三個部分，上部為回水區(qū)，中間為隔斷區(qū)，下部為抽水區(qū)；填礫同井的形式和抽灌同井類似，不同之處在于，填礫同井的

2、井孔較井管的直徑要大很多，其空隙采用分選性較好的礫石進行回填。本文針對以上三種熱源井開展了相關的理論和實驗研究工作，主要研究工作及結果如下：
　　設計并搭建了單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的物理模擬砂箱實驗臺，選取了實驗測量儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計算了實驗誤差。結果表明，所搭建實驗臺的測量誤差在可接受的范圍之內，能夠準確真實地反映物理現(xiàn)象。
　　通過更換不同的預制井來實驗模擬三種類型熱源井的特性。針對三種不同的熱源井，分別進行不同抽回間

3、距、不同初始地溫和不同負荷的實驗研究。并對循環(huán)單井和填礫同井進行了不同排放比例的實驗研究。研究表明，增大抽回間距能夠顯著改善三種熱源井的抽水溫度、提高換熱量。三種熱源井中循環(huán)單井承擔負荷的能力最低，抽回水溫度變化最大，熱影響范圍最小。在取熱工況下，排放能夠提高循環(huán)單井和填礫同井的抽水溫度及取熱量，小排放比對于提高熱源井承擔負荷能力的效果較好，隨著排放比的增加，這種改善效果減弱。
　　針對不同運行模式下抽灌同井特性進行實驗研究，按照

4、三個具有代表性的地區(qū)——北京、沈陽和上海采暖期和空調期時間分配來設計實驗。實驗包括四種工況，即連續(xù)取熱、連續(xù)放熱、先夏后冬和先冬后夏。研究表明，抽灌同井在寒冷地區(qū)運行過程中，系統(tǒng)在該實驗條件下，僅靠自然恢復期內的恢復，地下含水層不能使自身恢復至最初狀態(tài)。必須采用輔助設備，對地下含水層進行熱量補給，保證系統(tǒng)長期可靠的運行。在冷熱負荷相當?shù)牡貐^(qū)，采用先夏后冬的運行模式，可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；在寒冷地區(qū)應先進行放熱工況，繼而進行取熱工況，

5、保持熱源井的抽水溫度處在較高水平。相反，在較暖和地區(qū)則應先進行取熱工況，保持熱源井的抽水溫度處在較低水平。
　　建立了多區(qū)域耦合 CFD仿真模型。通過納維-斯托克斯方程和伯努利方程對多孔介質中運動方程進行分析推導，得到了多孔介質內的流動模型，并通過實驗確定了該流動模型中的經(jīng)驗系數(shù)。利用單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)砂箱實驗臺測得的實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結果進行了對比，驗證了仿真模型的準確性。
　　針對三種熱源井進行了不同孔隙度、不同初始地

6、溫及不同抽水流量三個方面的仿真研究，并分析了三種熱源井含水層的流場以及不同流量下的溫度場變化情況。研究表明，孔隙度對含水層參與換熱較多的抽灌同井和填礫同井影響稍大，對循環(huán)單井的影響則較小，但總體上看孔隙度對三種熱源井的特性影響不大。抽水流量對單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的影響較大，增大抽水流量使得三種熱源井的抽水溫度變化加大，并能顯著提高熱源井的熱影響范圍。初始地溫的變化并不影響含水層溫度的變化趨勢，抽水溫度的變化趨勢也幾乎相同，只是各工況間存