某礫石回填抽灌同井地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場測試研究

西藏自治區(qū)科技廳能源研究示范中心 ■ 萬溧 蒲澤偉 溫琪琪

0 引言

同井回灌地下水地源熱泵系統(tǒng)于2001年首次在北京投入使用，其推廣與運(yùn)用速度很快[1]，該熱泵系統(tǒng)分為單井循環(huán)系統(tǒng)和抽灌同井系統(tǒng)。單井循環(huán)系統(tǒng)是地埋管地源熱泵同軸套管換熱器的一種變形，在強(qiáng)巖層之下取消了套管外管，水直接在井孔內(nèi)循環(huán)與井壁巖土進(jìn)行換熱[2]。抽灌同井系統(tǒng)又分為無回填抽灌同井和礫石回填抽灌同井，二者的區(qū)別是：無回填抽灌同井在井孔內(nèi)設(shè)置隔板，將整個(gè)井分為抽水段、中間隔斷段和回水段3個(gè)部分[3]，回水不能直接進(jìn)入抽水段，而是與地下水原水和含水層換熱后再回到抽水段，加強(qiáng)了換熱；礫石回填抽灌同井是在井孔與井管之間回填分選性較好的礫石，回水被分為兩部分，一部分與礫石換熱后，再與原水混合進(jìn)入抽水區(qū)，另一部分直接進(jìn)入地下含水層。同井回灌地下水地源熱泵系統(tǒng)最關(guān)鍵的兩個(gè)問題是熱貫通和回灌堵塞。本文對綿陽某礫石回填抽灌同井地源熱泵工程的熱貫通問題開展了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 工程概況

現(xiàn)場測試時(shí)間為2016年10月5-10日，測試工程位于四川省綿陽市裕都大道金家林軟件園區(qū)，測試井是礫石回填抽灌同井井群中的一口井，其目的是為附近辦公樓提供冷、熱源。潛水泵抽取的一部分回水和地下水原水，經(jīng)熱泵機(jī)組取熱(放熱)后，由循環(huán)水泵回灌入礫石回填區(qū)，回灌水一部分通過礫石回填區(qū)外壁直接進(jìn)入地下含水層或流入土壤；另一部分與礫石區(qū)及含水層換熱后流動到抽水區(qū)，通過抽水段下部花管，與原水混合被潛水泵抽取。

測試井成井參數(shù)：井深38 m，孔徑1500 mm，隔熱管管徑DN159，抽水管徑DN50，回水管徑DN50，選用10～30 mm蓄能顆粒，潛水泵距含水層底部4 m，地下水靜水位17 m，動水位14 m，井口用水泥封井。測試井結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 測試井結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方法與儀表

2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

礫石回填抽灌同井地下水地源熱泵系統(tǒng)最關(guān)注的問題是熱貫通，即回水中蘊(yùn)含的冷(熱)量在抽水中所占的比例，以及抽水溫度是否在允許的范圍內(nèi)。現(xiàn)場試驗(yàn)方法主要分為兩部分：地源側(cè)部分和用戶側(cè)部分。圖2給出了現(xiàn)場試驗(yàn)方法，用于測試礫石回填抽灌同井的抽回水溫度和流量。如圖2所示，在抽水管上設(shè)置溫度傳感器、流量傳感器和壓力傳感器，在回水管上設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器。

此次現(xiàn)場試驗(yàn)在靠近抽水管處共設(shè)置了3個(gè)測溫點(diǎn)，用于測試抽水溫度和含水層溫度變化，其中，1#測溫點(diǎn)位于含水層底部，2#、3#測溫點(diǎn)在豎直方向上分別距1#測溫點(diǎn)5 m和10 m，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

圖3 測溫點(diǎn)布置圖

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)儀表

溫度傳感器采用深圳柏特瑞電子有限公司的TEM-100型號數(shù)字化傳感器，測溫范圍為-10～50 ℃，精度為±0.5 ℃。流量傳感器采用LWGYMIK-DN32型號的液體渦輪流量計(jì)，測量范圍為1.5～15 m3/h，精度為±1.0%。數(shù)據(jù)采集儀采用Agilent 34970A多功能數(shù)據(jù)采集儀，測量范圍為0～1 A，精度為±0.01%；該數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)置數(shù)字萬用表，每秒掃描多達(dá)250個(gè)通道，提供了快速瞬時(shí)態(tài)響應(yīng)能力和高精度快速測量能力[4]。潛水泵與循環(huán)泵均采用3 kW的不銹鋼泵，流量范圍為0～15 m3/h，精度為±1.0%。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次現(xiàn)場試驗(yàn)在典型的夏季取冷工況下進(jìn)行，礫石回填抽灌同井初始溫度為17.8 ℃，地下水靜水位為17 m，動水位為14 m；共進(jìn)行4組不同的工況測試，分別是抽水流量為8、10、12、14 m3/h時(shí)的溫度變化情況。每組工況均在礫石回填抽灌同井恢復(fù)到初始溫度后，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后開始測試，測試周期均為72 h，數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min。測試結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 抽水流量為8 m3/h時(shí)的溫度變化情況

圖5 抽水流量為10 m3/h時(shí)的溫度變化情況

圖6 抽水流量為12 m3/h時(shí)的溫度變化情況

圖7 抽水流量為14 m3/h時(shí)的溫度變化情況

4種工況的換熱量為：

式中，Q為換熱量，kJ/h；V為抽水流量，m3/h；ρ為水密度，取 1.0×103 kg/m3；c為水定壓比熱容，取4.2 kJ/(kg·℃)；Δtw為抽回水溫差，℃。試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果

由圖4～圖7和表1可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，抽水、回水溫度，抽回水溫差基本保持不變。隨著抽水流量的增大，抽水、回水溫度上升，抽回水平均溫差減小，且抽回水溫差之間的差值減小，差值由工況1與工況2的0.4 ℃降至工況3與工況4的0.2℃。因此，隨著抽水流量的逐漸增大，抽回水溫差將下降到趨于穩(wěn)定。由于抽回水溫差減小將使礫石回填抽灌同井溫升減小，抽水流量增大又會使礫石回填抽灌同井溫升增大，但兩者的綜合效果是礫石回填抽灌同井抽水溫度上升，所以，抽水流量對礫石回填抽灌同井穩(wěn)定運(yùn)行的水溫影響更大。單位時(shí)間換熱量由工況1的23.3 kJ/h上升到工況4的26.1 kJ/h，上升幅度為2.8 kJ/h，換熱量上升了12%。因此，盲目增加抽水流量并不能獲得理想的換熱量，對于礫石回填抽灌同井地下水地源熱泵系統(tǒng)而言，抽水流量亦應(yīng)有一定的選擇與限制[5]。該工程可以通過抽水流量、水泵總功耗、地源熱泵側(cè)能效比(COP)3個(gè)因素綜合考慮，以此來確定最佳抽水流量。3個(gè)因素之間的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，抽水流量與水泵總功耗成正比，COP與水泵總功耗成反比。兩者耦合處抽水流量為10.5 m3/h，此時(shí)水泵總功耗為4.5 kW，COP為5.5，換熱量約為25 kJ/h，相對于工況1，換熱量僅增加7.3%。

圖8 3個(gè)因素關(guān)系圖

確定最佳抽水流量時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮水泵總功耗及COP。COP為7.25，能效比高，水泵總功耗為3.4 kW，換熱量為23.3 kJ/h，所以，抽水流量為8 m3/h時(shí)，其為最佳抽水流量。若抽水流量增大，潛水泵功耗增大，回灌壓力增大且回灌難度增加，循環(huán)水泵功耗也將增大，不利于系統(tǒng)運(yùn)行。所以合理確定抽水流量，應(yīng)綜合考慮熱泵效率、水泵功耗及回灌難度。

熱貫通系數(shù)的定義為[6]：

式中，ψ為熱貫通系數(shù)，即回水在抽水中所占的百分比；ΔTt=Tc-T0，ΔTt為平均熱貫通溫度量值，℃；T0為礫石回填抽灌同井初始溫度，℃；Tc為夏季取冷工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的抽水平均溫度，℃；ΔTl=Th-Tc，ΔT1為夏季取冷工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的抽回水平均溫差，℃；Th為夏季取冷工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的回水平均溫度，℃。

本次現(xiàn)場試驗(yàn)中，各組工況下的熱貫通系數(shù)如表2所示。

表2 各組工況下的熱貫通系數(shù)

熱貫通現(xiàn)象的嚴(yán)重程度主要由含水層結(jié)構(gòu)特性及含水層換熱能力決定。由表2可知，隨著抽水流量的增加，熱貫通系數(shù)迅速增大，抽水中回水所占的比例也迅速增大。如在工況2時(shí)，熱貫通系數(shù)為32.3%，即抽水中約有1/3來自回水。若常年以此工況運(yùn)行，可能對礫石回填抽灌同井熱泵造成的影響增大，含水層溫度失衡，礫石回填抽灌同井地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率下降。當(dāng)以工況1(抽水流量為8 m3/h)條件運(yùn)行時(shí)，熱貫通系數(shù)僅為3.9%，且抽水平均溫度為17.9 ℃，接近礫石回填抽灌同井初始溫度，在該工況下能常年高效的運(yùn)行系統(tǒng)，而不會引起含水層溫度失衡的問題。因此，礫石回填抽灌同井地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大的熱貫通，該現(xiàn)場試驗(yàn)工程采用大抽回水溫差、小抽水流量的運(yùn)行方式更經(jīng)濟(jì)合適。

4 結(jié)論

抽水流量對礫石回填抽灌同井穩(wěn)定運(yùn)行的水溫影響更大。增大抽水流量會使抽回水溫度上升，抽回水溫差減小，抽回水溫差降減小。抽水流量從8 m3/h提高到14 m3/h時(shí)，換熱量從23.3 kJ/h上升到26.1 kJ/h，換熱量提高12%。

抽水流量增大，將使水泵功耗增加，回灌壓力增加且回灌難度增大。該現(xiàn)場試驗(yàn)工程最佳抽水流量為8 m3/h，此時(shí)水泵總功耗為3.4 kW，COP為7.25，能效比高。

含水層結(jié)構(gòu)特性及換熱能力是影響熱貫通現(xiàn)象的主要因素。熱貫通嚴(yán)重會使含水層溫度失衡，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。該現(xiàn)場試驗(yàn)工程在最佳抽水流量(8 m3/h)情況下運(yùn)行時(shí)，熱貫通系數(shù)僅為3.9%，且抽水溫度接近礫石回填抽灌同井初始溫度。因此對于該工程而言，小抽水流量、大抽回水溫差的運(yùn)行方式更合理。

[1]李志浩. 全國暖通空調(diào)制冷2004年學(xué)術(shù)年會綜述[J]. 暖通空調(diào), 2004, 34(10): 5－12

[2] Simon J R,Jeffrey D S,zheng Deng,et a1.A study of geothemal heat pump and standing c01umn well perfomance[G]//ASHRAE Trans, 2004, 1lo(1): 3－13

[3]倪龍,馬最良. 熱負(fù)荷對同井回灌地下水源熱泵的影響[J].暖通空調(diào), 2005, 35(3): 12－14

[4]李照州, 鄭小兵, 吳浩宇, 等.新型智能溫度傳感器在輔亮度標(biāo)準(zhǔn)探測器溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 量子電子學(xué)報(bào), 2005,22(5): 806－809

[5]倪龍, 馬最良. 熱負(fù)荷對同井回灌地下水源熱泵的影響[J].暖通空調(diào), 2005, 35 ( 3): 12－14

[6]倪龍. 同井回灌地下水源熱泵源匯井運(yùn)行特性研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2007.