填礫同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)的換熱性能研究及其優(yōu)化.pdf

1、為響應國家節(jié)能減排的號召，人們愈發(fā)關(guān)注如何將儲存于空氣、地表或地下水等中的可再生能源加以利用。地下水源熱泵就是一種節(jié)能且高效的地能采集措施。地下水源熱泵系統(tǒng)是以地下水作為低位冷熱源向建筑物內(nèi)提供供暖和制冷的一種熱泵運用技術(shù)。按其回灌形式的不同，主要分為：異井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)和同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)。而同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)就目前而言，主要有三種不同的應用形式，其分別為：填礫同井回灌、抽灌同井及循環(huán)單井，它們的抽水和回灌均能在同一

2、口井內(nèi)完成。
　　本文主要研究了填礫同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)的運行特性及換熱性能，其中研究內(nèi)容及成果如下：
　　1、開展了填礫同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗研究工作?，F(xiàn)場試驗研究表明：
　?。?）填礫同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)的單井換熱量較其它種類的地源熱泵系統(tǒng)高，測試井的單位時間有效換熱量為23.3kJ/s，而地埋管系統(tǒng)的單位時間有效換熱量為4～7.5 kJ/s。且其能效比高，本次現(xiàn)場測試熱源井的能效比最高為6.8

3、，最低為4.35，屬于一級能效，而地埋管系統(tǒng)的能效比一般為4～5.2；
　?。?）隨抽水流量的增加，測試熱源井的換熱量相應增加，其增加的量和地下涌水量的大小相關(guān)。本次試驗，抽水流量由8m3/h增加到14m3/h時，換熱量增加2.8kJ/s，地下涌水量增大1.5m3/h；
　?。?）關(guān)于熱貫通，由于本次測試對象為相對貧水地質(zhì)條件下的工程井，試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)，當抽水流量在8m3/h時，換熱器進出口溫差穩(wěn)定，此時未發(fā)現(xiàn)熱貫通現(xiàn)象

4、，抽水流量由8m3/h增大到14m3/h時，測試熱源井開始出現(xiàn)熱貫通，抽水平均溫度由17.9℃上升到23.2℃，抽回水溫差由2.5℃下降到1.6℃，熱貫通由3.9％增大到77.1％；
　?。?）關(guān)于熱源井成本，地埋管系統(tǒng)的單位井深成本為90～110元/m（其中井深為100m，井孔直徑為150mm），填礫同井回灌系統(tǒng)為800元/m（其中井深38m，井孔直徑1500mm）；地埋管單井換熱量為4～7.5kJ/s，填礫同井回灌系統(tǒng)大于等于

5、23.3kJ/s，因此在相同的負荷條件下熱源井初投資相對地埋管節(jié)約11～42％；
　?。?）關(guān)于水質(zhì)污染，雖然本次現(xiàn)場試驗由于受試驗條件所限，未做熱源井水質(zhì)檢測，但根據(jù)原廠家提供的北京某填礫同井回灌工程經(jīng)過2001年至2012年的運行后，提供的水質(zhì)檢查報告可知，除水溫發(fā)生變化之外，其余29項水質(zhì)指標均沒有發(fā)生明顯的變化。
　　2、根據(jù)熱源井的成井情況和建造工藝，建立了填礫同井回灌地下水源熱泵系統(tǒng)的地下水換熱及流動的數(shù)學模型。

6、
　?。?）通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證所建數(shù)學模型的正確性，模擬的抽水平均溫度與實測溫度值誤差小于1℃，誤差范圍小于5％；
　?。?）通過驗證后的數(shù)學模型，改變其抽水流量。得到測試熱源井的最佳抽水流量為4～8m3/h,此時抽回水溫差為2.5～5℃，該熱源井的抽水溫度不僅為地下水原始溫度（17.8℃），且不會引起熱貫通現(xiàn)象（熱貫通≤3.9％）；
　　（3）地下涌水量與含水層滲透系數(shù)比（水平滲透系數(shù)/豎直滲透系數(shù)）成正比。當滲透

7、系數(shù)比由1增大到10時，地下涌水量增大，致使平均抽水溫度降低1.1℃。因此熱源井宜盡量選擇滲透系數(shù)比大的區(qū)域，或在礫石回填區(qū)中設置水平隔板用以減小豎直滲透系數(shù)；
　?。?）熱源井的取熱潛力與含水層的容積比熱容成正比。當容積比熱容由20003kJ/m·℃變到30003kJ/m·℃時，平均抽水溫度降低0.8℃，熱源井的取熱潛力加大。因此熱源井應盡量選擇含水層容積比熱容大的地帶；
　?。?）地下水的熱彌散度與熱源井的熱影響范圍有關(guān)