單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)地下水流動(dòng)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(nèi)，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(kāi)孔，大部分水在井孔之內(nèi)循環(huán)，與井壁發(fā)生熱量交換；少部分水進(jìn)入井孔，并進(jìn)入含水層與其進(jìn)行原水交換；抽灌同井在井孔內(nèi)部加設(shè)了隔板，將熱源井分為三個(gè)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(lèi)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(jìn)行回填。本文針對(duì)以上三種熱源井開(kāi)展了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，主要研究工作及結(jié)果如下：
　　設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，選取了實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)誤差。結(jié)果表明，所搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量誤差在可接受的范圍之內(nèi)，能夠準(zhǔn)確真實(shí)地反映物理現(xiàn)象。
　　通過(guò)更換不同的預(yù)制井來(lái)實(shí)驗(yàn)?zāi)M三種類(lèi)型熱源井的特性。針對(duì)三種不同的熱源井，分別進(jìn)行不同抽回間

3、距、不同初始地溫和不同負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)研究。并對(duì)循環(huán)單井和填礫同井進(jìn)行了不同排放比例的實(shí)驗(yàn)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(dān)負(fù)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(duì)于提高熱源井承擔(dān)負(fù)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(duì)不同運(yùn)行模式下抽灌同井特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，按照

4、三個(gè)具有代表性的地區(qū)——北京、沈陽(yáng)和上海采暖期和空調(diào)期時(shí)間分配來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)在該實(shí)驗(yàn)條件下，僅靠自然恢復(fù)期內(nèi)的恢復(fù)，地下含水層不能使自身恢復(fù)至最初狀態(tài)。必須采用輔助設(shè)備，對(duì)地下含水層進(jìn)行熱量補(bǔ)給，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行。在冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)，采用先夏后冬的運(yùn)行模式，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；在寒冷地區(qū)應(yīng)先進(jìn)行放熱工況，繼而進(jìn)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(yīng)先進(jìn)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(guò)納維-斯托克斯方程和伯努利方程對(duì)多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行分析推導(dǎo)，得到了多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了該流動(dòng)模型中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。利用單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。
　　針對(duì)三種熱源井進(jìn)行了不同孔隙度、不同初始地

6、溫及不同抽水流量三個(gè)方面的仿真研究，并分析了三種熱源井含水層的流場(chǎng)以及不同流量下的溫度場(chǎng)變化情況。研究表明，孔隙度對(duì)含水層參與換熱較多的抽灌同井和填礫同井影響稍大，對(duì)循環(huán)單井的影響則較小，但總體上看孔隙度對(duì)三種熱源井的特性影響不大。抽水流量對(duì)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(shì)，抽水溫度的變化趨勢(shì)也幾乎相同，只是各工況間存