單井循環(huán)系統(tǒng)在不同初始地溫下的特性

宋偉，倪龍，姚楊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150090)

與傳統(tǒng)的雙井地下水源熱泵系統(tǒng)相比，單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)具有水井個(gè)數(shù)少、初投資低等優(yōu)勢(shì)，因此近年來逐漸受到關(guān)注。目前該系統(tǒng)共有3種形式，即循環(huán)單井、抽灌同井和填礫同井［1］。20世紀(jì)70年代中期，循環(huán)單井開始在美國(guó)開發(fā)，美國(guó)現(xiàn)在大約安裝1 000個(gè)這種熱源井［2-3］，大部分位于東北部和毗連加拿大的地區(qū)［4］。此外，由于特殊的地質(zhì)條件，韓國(guó)安裝的地源熱泵中有近30%的熱源井采用了循環(huán)單井［5］。抽灌同井最早的公開報(bào)道是1992年丹麥技術(shù)大學(xué)校園內(nèi)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)井，該實(shí)驗(yàn)熱源井鉆孔直徑0.4 m、孔深45 m、在深度29～34 m和38～43 m處安裝了過濾網(wǎng)［6］。2000年我國(guó)專利報(bào)道了填礫同井［7］。該熱源井于2001年在北京某工程上投入運(yùn)行并取得成功［8］，隨后開始推廣全國(guó)多個(gè)省份［9］。

單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)雖然在工程上獲得了一定的應(yīng)用，但相關(guān)研究工作還較欠缺，且在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未見到關(guān)于實(shí)驗(yàn)室模擬研究的報(bào)道。為此，本文搭建了單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)的砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，旨在研究初始地溫對(duì)單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)特性的影響。

1 砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)

單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)的3種形式如圖1所示。該系統(tǒng)的砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖如圖2所示，熱源井及預(yù)制井如圖3所示。砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的整體思路是通過能量守恒原理來研究砂箱中“含水層”流動(dòng)及換熱的特性，即用砂箱來模擬地下含水層，用負(fù)荷水箱來模擬建筑負(fù)荷，從而提供供回水溫差。忽略管道及箱體與室內(nèi)空氣的熱量交換，進(jìn)出負(fù)荷水箱管路的換熱量應(yīng)當(dāng)?shù)扔谶M(jìn)出熱源井的換熱量。砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)部件參數(shù)如表1所示，關(guān)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及采集系統(tǒng)的詳細(xì)情況參見文獻(xiàn)［10］。

表1 砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)各部件參數(shù)Table 1 The component parameters of sand tank experiment table

圖1 單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)Fig.1 Single well groundwater heat pump systems

圖2 砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)Fig.2 System diagram of sand tank experiment table

圖3 熱源井與預(yù)制井Fig.3 Thermal well and prefabricated wells

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備分為2步，分別是砂箱飽水排氣、含水層定溫定壓。砂箱飽水排氣過程一般持續(xù)24 h，首先打開砂箱底部的進(jìn)水閥門和上部的回水閥門，緩慢地充水，充水過程自下而上，充分排除砂箱中的氣泡。砂箱飽水排氣之后，關(guān)閉砂箱底部進(jìn)水閥門和上部的回水閥門，由高位水箱供水，打開砂箱中部閥門定壓，溢水管保持有水流溢出，控制水頭為定值，砂箱內(nèi)部溫度分布均勻，恒定在所需要的初始地溫附近。穩(wěn)壓過程持續(xù)15 min之后開始實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)中抽回區(qū)間距為300 mm，初始地溫分別為13℃和20℃，負(fù)荷水箱溫度分別為5℃(取熱工況)、30℃(放熱工況)，流量為 1.5×10-4m3/s，滿水壓力 17.4 kPa，測(cè)試時(shí)間 23 min。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4給出了填礫同井抽回水溫度變化曲線，實(shí)驗(yàn)條件為初始地溫為20.1℃、取熱工況。由圖4可以看出，隨著熱源井運(yùn)行的持續(xù)，回灌的取熱后冷水越多，抽水溫度也隨之逐漸降低。在實(shí)驗(yàn)的23 min 內(nèi)，抽水溫度由 19.5℃降到 17.4℃，降低了2.1℃，而回水溫度基本穩(wěn)定在13.4℃。由于負(fù)荷水箱冷凍水在實(shí)驗(yàn)開始前已經(jīng)制備，并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中維持5℃左右，這樣實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，負(fù)荷水箱與熱源井相連的換熱管中儲(chǔ)存水的溫度就會(huì)較低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)初期(前1 min)，這部分冷水直接回到砂箱，導(dǎo)致回水溫度的測(cè)量值劇降，從而引起抽水溫度較快的變化。這部分冷水被砂箱中來水置換后，回水溫度恢復(fù)正常。

圖4 抽回水溫度變化Fig.4 The temperature of outlet and inlet water

表2中給出了3種井在初始地溫為20℃和13℃下、取熱工況和放熱工況的測(cè)試結(jié)果。從循環(huán)單井(循單)的測(cè)試結(jié)果中可以看出，當(dāng)初始地溫從20.2℃降到13.3℃時(shí)，取熱工況的平均抽回水溫差從2.2℃降低到1.0℃，取熱量降低了56.2%;放熱工況的平均抽回水溫差從 3.7℃ 升高到 5.5℃，放熱量增加了48.9%。初始地溫對(duì)抽灌同井(抽同)和填礫同井(填礫)的影響類似。對(duì)抽灌同井，當(dāng)初始地溫從20.6℃降到12.8℃時(shí)，取熱工況的平均抽回水溫差從4.4℃降低到1.2℃，取熱量降低了71.7%;放熱工況的平均抽回水溫差從 5.0℃ 升高到 7.9℃，放熱量增加了56.8%。對(duì)填礫同井，取熱工況的平均抽回水溫差從4.8℃降低到 1.8℃，取熱量降低了 64.4%;放熱工況的平均抽回水溫差從5.1℃升高到8℃，放熱量增加了 56.3%。

可見，當(dāng)初始地溫降低后，抽灌同井受到的影響最大，這主要是因?yàn)槌楣嗤膿Q熱量主要來自與地下原水間的換熱，當(dāng)?shù)販亟档秃螅苯佑绊憮Q熱量的大小;填礫同井的一部分回水直接穿過礫石換熱后進(jìn)入抽水管，未進(jìn)入含水層與地下原水換熱，所以受到含水層溫度的影響較抽灌同井略低;而循環(huán)單井大部分換熱發(fā)生在熱源井內(nèi)，因此受到含水層溫度的影響最小，但換熱效率最低。

通過表2還可以看出，在取熱工況和放熱工況中，初始地溫變化相同溫度后，取熱量升高或降低的百分比要比放熱量升高或降低的百分比大，即初始地溫對(duì)取熱工況的影響更大。對(duì)實(shí)際水源熱泵系統(tǒng)亦是如此，初始地溫與回水溫度的差值一般來說取熱工況要小于放熱工況，其地下水可利用的溫差也要小于放熱工況。

對(duì)比3種熱源井同一初始地溫、同一工況下的換熱量可知，循環(huán)單井換熱量最小、取熱工況下抽水溫度最低、放熱工況下抽水溫度最高。如初始地溫為20℃、取熱工況下，抽灌同井的換熱量為循環(huán)單井的2.0倍，填礫同井的換熱量為循環(huán)單井的2.2倍。表明，循環(huán)單井承擔(dān)負(fù)荷的能力最差。填礫同井的換熱量雖大于抽灌同井，但差別不明顯。從熱源井的基本構(gòu)造上來說，抽灌同井比填礫同井更能阻止回水的短路，能承擔(dān)更大的負(fù)荷。但實(shí)驗(yàn)過程中，可能由于抽灌同井隔板封閉不嚴(yán)而降低抽灌同井承擔(dān)負(fù)荷的能力，或填礫同井熱源井中填礫過密等而提升填礫同井承擔(dān)負(fù)荷的能力。

2.3 砂箱內(nèi)部點(diǎn)分析

實(shí)驗(yàn)中在砂箱內(nèi)共布置了24個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕迹疚倪x取#10和#11這2個(gè)典型測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行分析，#10和#11位于與熱源井垂直的中心線上，其中，#11緊貼熱源井布置，#10距#11的水平距離為150 mm，如圖2所示。

圖5給出了#11測(cè)溫點(diǎn)在3種井取、放熱工況下的溫度變化曲線。由于#11測(cè)溫點(diǎn)緊靠熱源井井壁，從圖5中可以看出，不論取熱工況還是放熱工況，該點(diǎn)溫度很快受到回水的影響，取熱工況溫度很快降低、放熱工況溫度很快升高。在填礫同井取熱工況中，當(dāng)初始地溫為20.1℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2 min后，#11測(cè)溫點(diǎn)溫度開始受到熱源井回水冷量的影響，而急速從19.9℃下降到12.7℃，此時(shí)溫度已接近回水溫度;當(dāng)初始地溫為13.1℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 2.5 min后，#11 測(cè)溫點(diǎn)溫度開始急速下降，并接近回水溫度。比較3種熱源井實(shí)驗(yàn)下該點(diǎn)溫度的變化可以看出，填礫同井溫度變化最快，抽灌同井溫度變化最慢。

圖5 #11測(cè)溫點(diǎn)溫度變化Fig.5 The temperature of#11

圖6給出了#10測(cè)溫點(diǎn)在3種井取、放熱工況下的溫度變化曲線。從圖6中可以看出熱量傳遞的過程，在填礫同井取熱工況中，當(dāng)初始地溫為20.1℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行8 min后，#10測(cè)溫點(diǎn)溫度才開始受到熱源井回水冷量的影響，逐漸從 20.2℃下降到 13.5℃，此時(shí)已與回水溫度接近。在抽灌同井取熱工況中，當(dāng)初始地溫為 20.6℃和 12.8℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 13 min后，#10測(cè)溫點(diǎn)溫度開始下降并接近回水溫度。而在循環(huán)單井中，#10測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化不大，說明在測(cè)試期間#10測(cè)溫點(diǎn)尚未受到熱源井回水冷量的影響，大部分換熱發(fā)生在熱源井內(nèi)部，其熱影響的范圍更小。這也是循環(huán)單井承擔(dān)負(fù)荷能力較差的原因。

比較圖5、6可以看出，#10測(cè)溫點(diǎn)較#11測(cè)溫點(diǎn)遠(yuǎn)離熱源井(間距150 mm)，溫度受影響的時(shí)間較長(zhǎng)、影響的程度也較低。對(duì)于初始地溫20.1℃的取熱工況而言，填礫同井實(shí)驗(yàn)中#10測(cè)溫點(diǎn)溫度變化較#11測(cè)溫點(diǎn)的延遲時(shí)間為6 min，實(shí)驗(yàn)終了溫度較#11測(cè)溫點(diǎn)高約0.7℃。這一現(xiàn)象對(duì)循環(huán)單井更為明顯。

圖6 #10測(cè)溫點(diǎn)溫度變化Fig.6 The temperature of#10

3 結(jié)論

1)本文搭建的砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠反應(yīng)循環(huán)單井、抽灌同井和填礫同井運(yùn)行時(shí)的換熱特性，采用實(shí)驗(yàn)室物理模擬熱源井的換熱是可行的，能夠正確的反應(yīng)物理現(xiàn)象。

2)3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。

3)在取熱工況和放熱工況中，含水層溫度變化相同溫度后，取熱量變化的百分比要比放熱量的變化大，在以供熱為主的地區(qū)，應(yīng)注意初始地溫變化對(duì)取熱工況的影響。

［1］NI L，JIANG Y Q，YAO Y，et al.Groundwater heat pump with pumping＆ recharging in the same well in China［C］//Proceedings of the 6th International Conference for Enhanced Building Operations.Shenzhen，China，2006.

［2］O’NEILL Z D，SPITLER J D，REES S J.Performance analysis of standing column well ground heat exchanger systems［J］.ASHRAE Transactions，2006，112(2):633-643.

［3］O’NEILL Z D，SPITLER J D，REES S J.Modeling of standing column wells in ground source heat pump systems［C］//Proceedings of the 10th International Conference on Thermal Energy Storage-Ecostock.Pomona，USA，2006.

［4］ORIO C D，JOHNSON C N，REES S J，et al.A survey of standing column well installations in North America［J］.ASHRAE Transactions，2005，111(2):109-121.

［5］LEE J Y.Current status of ground source heat pumps in Korea［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13:1560-1568.

［6］SORENSEN S N，REFFSTRUP J.Prediction of long-term operational conditions for single-well groundwater heat pump plants［C］//Proceedings of the 27th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference.San Diego，USA，1992:109-114.

［7］徐生恒.井式液體冷熱源系統(tǒng):中國(guó):00123494.3［P］.2002.3.13.

［8］XU S H，RYBACH L.Utilization of shallow resources performance of direct use system in Beijng［J］.Geothermal Resource Council Transactions，2003，27:115-118.

［9］倪龍，姜益強(qiáng)，姚楊，等.單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)健康運(yùn)行的研究［J］.流體機(jī)械，2009，37(4):64-68.NI Long，JIANG Yiqiang，YAO Yang，et al.Study on the health operation for standing column well ground heat exchange system［J］.Fluid Machinery，2009，37(4):64-68.

［10］倪龍，宋偉，唐明宇，等.單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)初步試驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué).2012，28(增2):195-197.NI Long，SONG Wei，TANG Mingyu，et al.Initial experimental research on single well ground source heat pump systems［J］.Building Science，2012，28(Suppl 2):195-197.