熱泵供能系統(tǒng)中地源井技術(shù)研究綜述

李 誼 洪順軍 張 恒 文 敏

(中節(jié)能先導(dǎo)城市節(jié)能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

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熱泵供能系統(tǒng)中地源井技術(shù)研究綜述

李 誼 洪順軍 張 恒 文 敏

(中節(jié)能先導(dǎo)城市節(jié)能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

以地源井為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)、布置、換熱以及試驗(yàn)四方面，對(duì)地源井的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，并探討了地源井技術(shù)，對(duì)熱泵供能系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用具有重要意義。

熱泵供能系統(tǒng)，地源井，井群布置，換熱特性

20世紀(jì)30年代，國(guó)外開(kāi)始研究及應(yīng)用熱泵供能技術(shù)，國(guó)內(nèi)針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究時(shí)間稍晚。隨著我國(guó)《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的出臺(tái)，淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)的研究及應(yīng)用將會(huì)不斷深入，熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景十分可觀。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N新型綠色能源，其分布十分廣泛，在我國(guó)節(jié)能環(huán)保形勢(shì)十分嚴(yán)峻的今天，淺層地?zé)崮艿睦脤?huì)被重視，熱泵技術(shù)將會(huì)被不斷優(yōu)化及應(yīng)用[1,2]。地源井作為熱泵供能系統(tǒng)中的重要組成部分，其穩(wěn)定性直接關(guān)系著整個(gè)熱泵供能系統(tǒng)能否正常運(yùn)行[3,4]。很多研究人員針對(duì)地源井的設(shè)計(jì)、布置、換熱以及試驗(yàn)等四個(gè)方面開(kāi)展了大量的研究工作。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)熱泵供能系統(tǒng)地源井相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)的前提下，對(duì)地源井的設(shè)計(jì)、布置、換熱以及試驗(yàn)等四個(gè)方面進(jìn)行了綜述分析。

1 地源井設(shè)計(jì)分析

地源井的設(shè)計(jì)對(duì)熱泵供能系統(tǒng)至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)地源井設(shè)計(jì)這一問(wèn)題開(kāi)展了很多研究。倪龍等[5]基于含水層儲(chǔ)能、暖通空調(diào)、水文地質(zhì)等有關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，根據(jù)已經(jīng)被廣泛采用的地源井設(shè)計(jì)方法，提出了一套簡(jiǎn)化的涵蓋熱力學(xué)設(shè)計(jì)以及地下水動(dòng)力學(xué)的地源井設(shè)計(jì)方法，其中設(shè)計(jì)內(nèi)容包含了回灌井、抽水井的井間距、井?dāng)?shù)、井徑、過(guò)濾網(wǎng)以及井流量等，并以某市一住宅為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)。陸觀立[6]圍繞地源熱泵系統(tǒng)存在的井群設(shè)計(jì)不合理、地源井堵塞等問(wèn)題，對(duì)地源井設(shè)計(jì)、布置、水處理、成井工藝等開(kāi)展了研究。李程瑤[7]以沈陽(yáng)市某建筑為例，在計(jì)算建筑負(fù)荷的基礎(chǔ)上，根據(jù)沈陽(yáng)市水文地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了地源井，并對(duì)水泵進(jìn)行了選型。

地源井的設(shè)計(jì)會(huì)影響后續(xù)的施工，設(shè)計(jì)與施工之間關(guān)系緊密，很多研究人員針對(duì)地源井設(shè)計(jì)與施工等問(wèn)題開(kāi)展了研究，比如羅新梅等[8]結(jié)合地下水源熱泵存在的成井問(wèn)題以及應(yīng)用情況，分別從回灌方法、成井工藝及管井設(shè)計(jì)計(jì)算等三個(gè)方面，分析了提高成井質(zhì)量的措施，并強(qiáng)調(diào)采用合理的回灌方式、提高成井質(zhì)量及做好水文地質(zhì)勘探有助于避免地下水污染和地面沉降。沈陽(yáng)市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)辦公室[9]專(zhuān)門(mén)針對(duì)地下水水源熱泵地源井的設(shè)計(jì)出臺(tái)了規(guī)定，其中就涵蓋了地源井設(shè)計(jì)、施工、標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，這對(duì)地源井的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。陳陽(yáng)等[10]提出了地源井設(shè)計(jì)方法以及井群布置、井間距、井?dāng)?shù)、井結(jié)構(gòu)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并分析了地源井施工過(guò)程中填砂、封井、洗井以及潛水泵選型等的重要性，在此基礎(chǔ)上提出了地源井設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題以及二者之間的相互影響問(wèn)題。

2 地源井布置研究

2.1 模型研究

隨著數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性逐漸被證明，在地源井布置問(wèn)題研究方面，也有部分研究人員采用了數(shù)值分析方法，完善了地源井布置問(wèn)題分析方法，使得研究成果更加嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。

孫雨[11]運(yùn)用有效應(yīng)力原理、熱傳遞理論以及滲流理論，分析了地源熱泵應(yīng)力場(chǎng)、熱力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合機(jī)理，并建立了三場(chǎng)耦合模型，采用模擬軟件對(duì)地源熱泵系統(tǒng)中單井運(yùn)行過(guò)程中灌水量、抽水量、滲流速度對(duì)三場(chǎng)的耦合變化規(guī)律；并通過(guò)模擬兩灌、兩抽、一抽一灌等三種模式下不同井間距三場(chǎng)耦合特征，得到了不同布置狀態(tài)下抽灌水井間距的合理范圍。于林弘[12]通過(guò)地下水傳熱方程與水流方程進(jìn)行假設(shè)，簡(jiǎn)單分析了試驗(yàn)區(qū)水熱運(yùn)移特性，構(gòu)建了地下水、熱運(yùn)移耦合模型，采用模擬軟件分析了三種抽灌模式下不同井間距地源井布置方案，結(jié)果表明，隨著抽灌井井間距的增大，熱貫通現(xiàn)象對(duì)抽水井溫度的影響逐漸減弱。

2.2 布井合理性與可行性研究

在地源井布置的合理性及可行性方面，相關(guān)研究也有涉及。潘俊等[13]圍繞場(chǎng)地條件、周邊環(huán)境、建筑物負(fù)荷條件以及水文地質(zhì)條件建立了地下水源熱泵地源井布置合理性評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)體系，該評(píng)價(jià)方法實(shí)用、簡(jiǎn)單，給審核部門(mén)、工程技術(shù)人員提供了技術(shù)依據(jù)；此外，該評(píng)價(jià)體系中地下水溫度、地下水位埋深、含水層滲透系數(shù)等取值可以根據(jù)項(xiàng)目具體情況調(diào)整，具有一定的適用性。張德禎等[14]就地源井布設(shè)可行性進(jìn)行了分析，指出水文地質(zhì)勘探以及提高成井質(zhì)量的重要程度，并提出了安全回灌量、安全出水量的概念，構(gòu)建了有效的地下水源熱泵抽水、回灌之間的可行性。

3 地源井換熱問(wèn)題分析

地源井換熱特性直接關(guān)系著整個(gè)供能系統(tǒng)的運(yùn)行效果，影響地源井換熱特性的因素很多，有地質(zhì)因素、地埋管深度、地埋管材質(zhì)等。

倪龍等[15]根據(jù)能量守恒原理構(gòu)建了含水層—井孔—單井井管耦合傳熱模型，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析了循環(huán)單井的換熱特性，研究結(jié)果表明：在采暖季，循環(huán)單井抽水溫度會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，達(dá)到了7 ℃，循環(huán)單井對(duì)含水層產(chǎn)生的熱影響較小。張丹[16]采用Fluent軟件對(duì)地源井換熱器與周?chē)寥乐g的換熱過(guò)程進(jìn)行了分析，該模型不僅考慮了地埋管與土壤之間的換熱，還考慮了地埋管內(nèi)部流體進(jìn)出口溫度的變化情況，基于單井模型構(gòu)建了井群模型，獲得了井群中各地源井換熱量的修正系數(shù)。

譚志文[17]采用Fluent軟件構(gòu)建了典型井群與單井換熱器的三維非穩(wěn)態(tài)模型，研究了不同井間距、入口溫度、入口流速、井群運(yùn)行方式、土壤初始溫度、地下水滲流、回填土導(dǎo)熱系數(shù)、巖土導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)井群中各地源井換熱量當(dāng)量值產(chǎn)生的影響，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的一致性。倪龍等[18]根據(jù)能量守恒原理構(gòu)建了含水層、井孔、循環(huán)單井井管間的耦合傳熱模型，控制方程包含了井孔壁與井管壁的換熱，模擬了循環(huán)單井的試驗(yàn)情況，結(jié)果顯示模型的輸出對(duì)熱彌散度和含水層滲透系數(shù)最為敏感，特別是熱彌散度，熱彌散度對(duì)模型輸出影響巨大。

4 地源井試驗(yàn)研究

地源井的應(yīng)用效果一般可以通過(guò)試驗(yàn)得到驗(yàn)證，在研究地源井效果的過(guò)程中，一般會(huì)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分析，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化地源井設(shè)計(jì)、布置等，以提高地源井的壽命、質(zhì)量等。

宋偉等[19]以循環(huán)單井地下水源熱泵系統(tǒng)為例，建立了物理模擬沙箱試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)地源井換熱規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明循環(huán)單井承擔(dān)負(fù)荷的能力最弱，且抽水流量對(duì)循環(huán)單井的影響更大，增大抽水流量有助于增大地源井的取熱量，繼而提供地源井對(duì)負(fù)荷的承擔(dān)能力。向瑾等[20]對(duì)楊凌五湖路地區(qū)5口地源井抽水、回灌、水質(zhì)情況進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明當(dāng)單井抽水量在80 m3/h～100 m3/h時(shí)，抽水和回灌井的比例按1∶2設(shè)置為最佳。宋偉等[21]通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)地源井抽回間距變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明增加抽回井間距可以改善熱源井抽水溫度，在設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件允許時(shí)可以盡可能增大抽回井間距。

潘俊等[22]以沈陽(yáng)市第一城項(xiàng)目為例，對(duì)復(fù)合井結(jié)構(gòu)中的同井回灌模式進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將結(jié)果作了對(duì)比性分析，結(jié)果表明復(fù)合井的結(jié)構(gòu)不同，回灌量與抽水量也不相同。周靜[23]通過(guò)構(gòu)建土壤源熱泵的多換熱井試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)單井、多井情況進(jìn)行了蓄熱實(shí)驗(yàn)，采用疊加原理，構(gòu)建了多井換熱模型，將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果作了對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的可靠性，并對(duì)土壤溫度恢復(fù)速度、不同運(yùn)行模式、不同影響因素作了模擬分析，研究結(jié)果表明井間距越大，熱流強(qiáng)度越小，井間的熱影響程度越小。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越發(fā)突出，節(jié)能環(huán)保形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，我國(guó)相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策鼓勵(lì)利用清潔能源、可再生能源，地下水源熱泵、土壤源熱泵作為節(jié)能技術(shù)，采用清潔能源為用戶供能，應(yīng)用前景較好。作為熱泵供能系統(tǒng)的重要組成部分之一——地源井技術(shù)至關(guān)重要，集中在地源井的設(shè)計(jì)、布置以及換熱等方面，可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。未來(lái)，地源井技術(shù)的研究及應(yīng)用將會(huì)影響著熱泵供能系統(tǒng)的應(yīng)用，其將成為重點(diǎn)研究課題之一。

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Review of ground source wells study on the heat pump energy supply system

Li Yi Hong Shunjun Zhang Heng Wen Min

(Cecep&CpihCityEnergyConservationCo.,Ltd,Changsha410208,China)

Taking the ground source well as an example, the related research literatures are reviewed from four aspects: design, arrangement, heat transfer and experiment. It is very important to study the source well technology and optimize the design and application of heat pump energy supply system.

heat pump energy supply system, ground source well, well group layout, heat transfer characteristics

1009-6825(2017)15-0106-02

2017-03-17

李 誼(1975- )，男，工程師

TU833

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