四川綿陽市某填礫抽灌同井地源熱泵工程現場試驗研究

萬 溧，高理福，溫琪琪（西南科技大學，四川 綿陽 621010）

四川綿陽市某填礫抽灌同井地源熱泵工程現場試驗研究

Field Study on a Gravel-backfilled PRW Project in Mianyang, Sichuan

萬 溧，高理福，溫琪琪（西南科技大學，四川 綿陽 621010）

為研究填礫抽灌同井地源熱泵系統的換熱性能，利用多功能數據采集儀，對綿陽市某填礫抽灌同井地源熱泵系統的夏季取冷進行了現場測試。結果表明：當抽水流量從14 m3/h降到8 m3/h時，抽水溫度從23.2 ℃降到17.9 ℃，抽回水溫差從1.6 K上升到2.5 K，而熱貫通系數由77.1%降到3.9%。可見抽水流量的變化對填礫抽灌同井的影響很大，得出最佳抽水流量為8 m3/h，此時換熱量為23.3 kJ/h，熱貫通系數為3.9%。

填礫抽灌同井；抽水流量；抽回水溫差；熱貫通系數

同井回灌地下水地源熱泵系統于 2001 年首次在北京投入使用，其推廣與運用速度很快[1]。同井回灌地下水地源熱泵系統又分為：單井循環系統和抽灌同井系統。單井循環系統是地埋管地源熱泵同軸套管換熱器的一種變形，在強巖層之下取消了套管外管，水直接在井孔內循環與井壁巖土進行換熱[2]。抽灌同井系統又分為：無回填抽灌同井和礫石回填抽灌同井。其區別是，無回填抽灌同井在井孔內設置隔板，將整個井分為：抽水段、中間隔斷段和回水段 3 個部分[3]。回水不能直接進入抽水段，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，再與原水混合進入抽水區；另一部分直接進入地下含水層。同井回灌地下水地源熱泵系統最關鍵的問題是熱貫通和回灌堵塞。本文對綿陽某填礫抽灌同井地源熱泵工程開展了現場試驗研究，并對測試結果作了分析。

1 工程概況

測試工程位于四川省綿陽市裕都大道金家林軟件園區。該測試井是填礫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，經熱泵機組取熱(放熱)后，由循環水泵回灌入礫石回填區，回灌水一部分通過礫石回填區外壁直接進入地下含水層或流入土壤；另一部分與礫石區及含水層換熱后流動到抽水區，透過抽水段下部花管，與原水混合被潛水泵抽取。

測試井成井參數：井深 38 m，孔徑 1 500 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，見圖 1。

圖1 測試井結構圖

2 現場試驗方法與儀表

2.1 現場試驗方法

填礫抽灌同井地下水地源熱泵系統最關注的問題是：熱貫通。即回水中蘊含的冷(熱)量在抽水中所占的比例，抽水溫度是否在允許的范圍內。現場試驗方法主要分為兩部分：地源側部分和用戶側部分。此次現場試驗在靠近抽水管處共設置了 3 個測溫點，用于測試抽水溫度和含水層溫度變化，其中 1 號測溫點位于含水層底部，2、3 號測溫點在豎直方向上分別距 1 號測溫點 5 m 和 10 m。

2.2 現場試驗儀表

溫度傳感器采用深圳柏特瑞電子有限公司的 TEM-100型號數字化傳感器，測溫范圍：-10 ℃～50 ℃，精度為 ±0.5 K。流量傳感器采用 LWGY-MIK-DN32 型號的液體渦輪流量計，測量范圍：1.5 m3/h～15 m3/h，精度為 ±1.0%。數據采集儀用 Agilent 34970 A 多功能數據采集儀，測量范圍：0～1 A，精度為 ±0.01%。該數據采集儀內置數字萬用表，每秒掃描多達 250 個通道，提供了快速瞬時態響應能力和高精度快速測量能力[4]。潛水泵與循環泵均采用 3 kW 的不銹鋼泵，流量范圍：0～15 m3/h，精度為±1.0%。

3 現場試驗結果及分析

本次現場試驗在典型的夏季取冷工況下進行。填礫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。共進行 4 組不同的工況測試，工況 1～4 分別表示抽水流量為：8 m3/h、10 m3/h、12 m3/h、14 m3/h。每組工況均在填礫抽灌同井恢復到初始溫度后，待系統運行穩定開始測試，測試周期均為 72 h，數據記錄間隔為 10 min。工況 1～4 溫度變化情況，如圖 2～5 所示。

圖2 抽水流量為 8 m3/h

圖3 抽水流量為 10 m3/h

圖4 抽水流量為 12 m3/h

圖5 抽水流量為 14 m3/h

4 種工況的換熱量為：

式中：Q——換熱量，kJ/h；

V——抽水流量，m3/h；

ρ——水密度，取 1.0×103kg/m3；

c——水定壓比熱容，取 4.2 kJ/(kg·K)；

Δtw——抽回水溫差，K。試驗結果見表 1。

表1 試驗工況及試驗結果

由圖 2～5 和表 1 可知，在系統穩定運行后，抽回水溫度，抽回水溫差基本保持不變。隨著抽水流量的增大，抽回水溫度上升，抽回水平均溫差減小，且抽回水溫差降減小，由工況 1 到工況 2 的下降 0.4 K 變成工況 3 到工況 4 的下降 0.2 K。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定。由于抽回水溫差減小將使填礫抽灌同井溫升減小，抽水流量增大又會使填礫抽灌同井溫升增大，但兩者的綜合效果是填礫抽灌同井抽水溫度上升。所以抽水流量對填礫抽灌同井穩定運行的水溫影響更大。單位時間換熱量由工況 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，取冷量上升了 12%。因此，盲目增加抽水流量并不能獲得理想的換熱量。對于填礫抽灌同井地下水地源熱泵系統而言，抽水流量亦應有一定的選擇與限制[3]。該工程可以通過抽水流量、水泵總功耗、地源熱泵側 COP(能效比)3 個因素綜合考慮，以此來確定最佳抽水流量。如圖 6所示。

圖6 綜合3個因素

由圖 6 可知，抽水流量與水泵總功耗成正比，COP(能效比)與水泵總功耗成反比。兩者耦合處抽水流量為 10.5 m3/h，此時水泵總功耗為 4.5 kW，COP 為 5.5，換熱量為 25 kJ/h 左右。相對工況1，換熱量僅增加 7.3%。因此最佳抽水流量為 8 m3/h，此時水泵總功耗為 3.4 kW，COP 為 6.8，能效比高，換熱量為 23.3 kJ/h。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，循環水泵功耗也將增大，不利于系統運行。所以合理確定抽水流量，應綜合考慮熱泵效率、水泵功耗及回灌難度。

熱貫通系數的定義為[5]：

式中：ψ——熱貫通系數，即回水在抽水中所占的百分比%；

ΔTt=Tc-T0——平均熱貫通溫度量值，℃；

T0——填礫抽灌同井初始溫度，K；

Tc——夏季取冷工況下系統穩定運行后，抽水平均溫度，℃；

ΔTt=Th-Tc——抽回水平均溫差，K；

Tl——夏季取冷工況下系統穩定運行后，回水平均溫度，℃。

本次現場試驗中，各組工況下的熱貫通系數見表 2。

表2 各組工況下的熱貫通系數

熱貫通現象的嚴重程度主要由含水層結構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，熱貫通系數迅速增大，抽水中回水所占的比例也迅速增大。如在工況 2 下，熱貫通系數為 32.3%，即抽水中大約有 1/3 來自回水。若常年以此工況運行，可能造成填礫抽灌同井熱影響范圍增大，含水層溫度失衡，填礫抽灌同井地源熱泵系統運行效率下降。當以工況1(抽水流量為 8 m3/h)條件下運行時，熱貫通系數僅為 3.9%，且抽水平均溫度為 17.9℃，接近填礫抽灌同井初始溫度，在該工況下能常年高效的運行系統，而不會引起含水層溫度失衡的問題。因此，填礫抽灌同井地源熱泵系統運行時應盡量避免出現大的熱貫通。該現場試驗工程采用大抽回水溫差、小抽水流量的運行方式，則更經濟合適。

4 結 語

(1) 抽水流量對填礫抽灌同井穩定運行的水溫影響更大。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，換熱量從 23.3 kJ/h 上升到 26.1 kJ/h，換熱量提高12%。

(2) 確定最佳抽水流量時，應同時考慮水泵總功耗及熱泵能效比 COP。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。該現場試驗工程最佳抽水流量為8 m3/h，此時水泵總功耗為 3.4 kW，COP 為 6.8，能效比高。

(3) 含水層結構特性及換熱能力是影響熱貫通現象的主要因素。熱貫通嚴重會使含水層溫度失衡，熱泵系統運行效率降低。該現場試驗工程在最佳抽水流量(8 m3/h)情況下運行時，熱貫通系數僅為 3.9%，且抽水溫度接近填礫抽灌同井初始溫度。因此對于該工程而言，小抽水流量、大抽回水溫差的運行方式更合理。

[1]李志浩.全國暖通空調制冷2004年學術年會綜述[J].暖通空調,2004,34(10):5-12.

[2] SIMON J R,JEFFREY D S,ZHENG D,et a1.A study of geothemal heat pump and standing c01umn well perfomance[J] ASHRAE Trans,2004(1):3-13.

[3]倪龍,馬最良.熱負荷對同井回灌地下水源熱泵的影響[J].暖通空調,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準探測器溫控系統中的應用[J].量子電子學報,2005,22(5):806-809.

[5]倪龍.同井回灌地下水源熱泵源匯井運行特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2007．

TU50

A

1674-814X(2017)02-0068-04

國家科技支撐計劃(2012BAA13B02)

2016-12-12

萬溧，現就讀于西南科技大學。通訊作者：高理福，男，副教授。作者通信地址：四川省綿陽市西南科技大學，郵編：621010。