熱泵供能系統中地源井技術研究綜述

李 誼 洪順軍 張 恒 文 敏

(中節能先導城市節能有限公司，湖南 長沙 410208)

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熱泵供能系統中地源井技術研究綜述

李 誼 洪順軍 張 恒 文 敏

(中節能先導城市節能有限公司，湖南 長沙 410208)

以地源井為研究對象，從設計、布置、換熱以及試驗四方面，對地源井的相關研究文獻進行了綜述，并探討了地源井技術，對熱泵供能系統的優化及應用具有重要意義。

熱泵供能系統，地源井，井群布置，換熱特性

20世紀30年代，國外開始研究及應用熱泵供能技術，國內針對該項技術的研究時間稍晚。隨著我國《地熱能開發利用“十三五”規劃》的出臺，淺層地熱能利用技術的研究及應用將會不斷深入，熱泵技術的應用前景十分可觀。淺層地熱能作為一種新型綠色能源，其分布十分廣泛，在我國節能環保形勢十分嚴峻的今天，淺層地熱能的利用將會被重視，熱泵技術將會被不斷優化及應用[1,2]。地源井作為熱泵供能系統中的重要組成部分，其穩定性直接關系著整個熱泵供能系統能否正常運行[3,4]。很多研究人員針對地源井的設計、布置、換熱以及試驗等四個方面開展了大量的研究工作。本文在對國內熱泵供能系統地源井相關研究文獻進行總結的前提下，對地源井的設計、布置、換熱以及試驗等四個方面進行了綜述分析。

1 地源井設計分析

地源井的設計對熱泵供能系統至關重要，國內研究人員針對地源井設計這一問題開展了很多研究。倪龍等[5]基于含水層儲能、暖通空調、水文地質等有關領域知識，根據已經被廣泛采用的地源井設計方法，提出了一套簡化的涵蓋熱力學設計以及地下水動力學的地源井設計方法，其中設計內容包含了回灌井、抽水井的井間距、井數、井徑、過濾網以及井流量等，并以某市一住宅為例進行了設計。陸觀立[6]圍繞地源熱泵系統存在的井群設計不合理、地源井堵塞等問題，對地源井設計、布置、水處理、成井工藝等開展了研究。李程瑤[7]以沈陽市某建筑為例，在計算建筑負荷的基礎上，根據沈陽市水文地質條件設計了地源井，并對水泵進行了選型。

地源井的設計會影響后續的施工，設計與施工之間關系緊密，很多研究人員針對地源井設計與施工等問題開展了研究，比如羅新梅等[8]結合地下水源熱泵存在的成井問題以及應用情況，分別從回灌方法、成井工藝及管井設計計算等三個方面，分析了提高成井質量的措施，并強調采用合理的回灌方式、提高成井質量及做好水文地質勘探有助于避免地下水污染和地面沉降。沈陽市城鄉建設委員會辦公室[9]專門針對地下水水源熱泵地源井的設計出臺了規定，其中就涵蓋了地源井設計、施工、標準等內容，這對地源井的應用提供了指導。陳陽等[10]提出了地源井設計方法以及井群布置、井間距、井數、井結構對地源熱泵系統產生的影響，并分析了地源井施工過程中填砂、封井、洗井以及潛水泵選型等的重要性，在此基礎上提出了地源井設計、施工過程中的關鍵技術問題以及二者之間的相互影響問題。

2 地源井布置研究

2.1 模型研究

隨著數值模擬方法被廣泛應用，其優越性逐漸被證明，在地源井布置問題研究方面，也有部分研究人員采用了數值分析方法，完善了地源井布置問題分析方法，使得研究成果更加嚴謹、科學。

孫雨[11]運用有效應力原理、熱傳遞理論以及滲流理論，分析了地源熱泵應力場、熱力場與滲流場的耦合機理，并建立了三場耦合模型，采用模擬軟件對地源熱泵系統中單井運行過程中灌水量、抽水量、滲流速度對三場的耦合變化規律；并通過模擬兩灌、兩抽、一抽一灌等三種模式下不同井間距三場耦合特征，得到了不同布置狀態下抽灌水井間距的合理范圍。于林弘[12]通過地下水傳熱方程與水流方程進行假設，簡單分析了試驗區水熱運移特性，構建了地下水、熱運移耦合模型，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，結果表明，隨著抽灌井井間距的增大，熱貫通現象對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，相關研究也有涉及。潘俊等[13]圍繞場地條件、周邊環境、建筑物負荷條件以及水文地質條件建立了地下水源熱泵地源井布置合理性評價方法、評價標準以及評價體系，該評價方法實用、簡單，給審核部門、工程技術人員提供了技術依據；此外，該評價體系中地下水溫度、地下水位埋深、含水層滲透系數等取值可以根據項目具體情況調整，具有一定的適用性。張德禎等[14]就地源井布設可行性進行了分析，指出水文地質勘探以及提高成井質量的重要程度，并提出了安全回灌量、安全出水量的概念，構建了有效的地下水源熱泵抽水、回灌之間的可行性。

3 地源井換熱問題分析

地源井換熱特性直接關系著整個供能系統的運行效果，影響地源井換熱特性的因素很多，有地質因素、地埋管深度、地埋管材質等。

倪龍等[15]根據能量守恒原理構建了含水層—井孔—單井井管耦合傳熱模型，根據試驗結果對模型進行了驗證，并分析了循環單井的換熱特性，研究結果表明：在采暖季，循環單井抽水溫度會出現劇烈變化，達到了7 ℃，循環單井對含水層產生的熱影響較小。張丹[16]采用Fluent軟件對地源井換熱器與周圍土壤之間的換熱過程進行了分析，該模型不僅考慮了地埋管與土壤之間的換熱，還考慮了地埋管內部流體進出口溫度的變化情況，基于單井模型構建了井群模型，獲得了井群中各地源井換熱量的修正系數。

譚志文[17]采用Fluent軟件構建了典型井群與單井換熱器的三維非穩態模型，研究了不同井間距、入口溫度、入口流速、井群運行方式、土壤初始溫度、地下水滲流、回填土導熱系數、巖土導溫系數對井群中各地源井換熱量當量值產生的影響，并通過試驗驗證了模擬結果的一致性。倪龍等[18]根據能量守恒原理構建了含水層、井孔、循環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，模擬了循環單井的試驗情況，結果顯示模型的輸出對熱彌散度和含水層滲透系數最為敏感，特別是熱彌散度，熱彌散度對模型輸出影響巨大。

4 地源井試驗研究

地源井的應用效果一般可以通過試驗得到驗證，在研究地源井效果的過程中，一般會通過試驗對其進行分析，再根據試驗結果優化地源井設計、布置等，以提高地源井的壽命、質量等。

宋偉等[19]以循環單井地下水源熱泵系統為例，建立了物理模擬沙箱試驗平臺，對地源井換熱規律進行了研究，研究結果表明循環單井承擔負荷的能力最弱，且抽水流量對循環單井的影響更大，增大抽水流量有助于增大地源井的取熱量，繼而提供地源井對負荷的承擔能力。向瑾等[20]對楊凌五湖路地區5口地源井抽水、回灌、水質情況進行了試驗分析，結果表明當單井抽水量在80 m3/h～100 m3/h時，抽水和回灌井的比例按1∶2設置為最佳。宋偉等[21]通過搭建試驗平臺對地源井抽回間距變化進行了試驗研究，研究結果表明增加抽回井間距可以改善熱源井抽水溫度，在設計時當現場條件允許時可以盡可能增大抽回井間距。

潘俊等[22]以沈陽市第一城項目為例，對復合井結構中的同井回灌模式進行了現場試驗，將結果作了對比性分析，結果表明復合井的結構不同，回灌量與抽水量也不相同。周靜[23]通過構建土壤源熱泵的多換熱井試驗平臺，對單井、多井情況進行了蓄熱實驗，采用疊加原理，構建了多井換熱模型，將試驗結果與模擬結果作了對比分析，驗證了模型的可靠性，并對土壤溫度恢復速度、不同運行模式、不同影響因素作了模擬分析，研究結果表明井間距越大，熱流強度越小，井間的熱影響程度越小。

5 結語

隨著經濟社會的快速發展，環境問題越發突出，節能環保形勢越發嚴峻，我國相繼出臺了多項政策鼓勵利用清潔能源、可再生能源，地下水源熱泵、土壤源熱泵作為節能技術，采用清潔能源為用戶供能，應用前景較好。作為熱泵供能系統的重要組成部分之一——地源井技術至關重要，集中在地源井的設計、布置以及換熱等方面，可以通過試驗進行驗證。未來，地源井技術的研究及應用將會影響著熱泵供能系統的應用，其將成為重點研究課題之一。

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[4] 倪 龍,馬最良.單井循環地下換熱系統[A].中國節能減排與資源綜合利用論壇地熱能開發利用分論壇暨熱泵技術應用交流會[C].2008.

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[22] 潘 俊,韓春陽,焦 龍,等.復合井在地下水源熱泵工程中應用的試驗研究[J].工程勘察,2012(4):34-37.

[23] 周 靜.土壤源熱泵多換熱井特性實驗與系統模擬研究[D].北京：北京建筑大學,2015.

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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