不同負荷單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)實驗

宋 偉，倪 龍，姚 楊

不同負荷單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)實驗

宋 偉，倪 龍，姚 楊

（哈爾濱工業(yè)大學熱泵空調技術研究所，150090哈爾濱）

針對單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)，搭建了物理模擬砂箱實驗臺研究其地下水流動和換熱規(guī)律，并開展了負荷變化的實驗研究.結果表明：相同實驗條件下，循環(huán)單井的取熱量僅為抽灌同井的50.3%，填礫同井的45.9%，其徑向熱影響范圍小于186.5 mm；而當抽水流量從0.54 m3／h降低到0.315 m3／h時，循環(huán)單井、抽灌同井、填礫同井的取熱量分別降低了51.0%、31.6%和19.5%.可見循環(huán)單井承擔負荷的能力最差，但抽水流量的變化對循環(huán)單井的影響更大；提高抽水流量能夠顯著提高熱源井的取熱量，增大熱影響范圍，從而提高熱源井承擔負荷的能力.

地下水源熱泵；單井循環(huán)；砂箱實驗；抽水流量；負荷變化

單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)目前共有3種形式，即循環(huán)單井、抽灌同井和填礫同井［1］.3種熱源井都是從含水層同一水平位置不同深度段取水和回水.從熱源井構造角度上看，循環(huán)單井采用的是基巖含水層中的裸井，小部分回水進入基巖含水層，大部分回水在井孔內與孔壁換熱后直接進入取水管.為了降低熱貫通效應［2］，在抽灌同井和填礫同井增加了井壁，并在井孔內設置隔板，將井內抽水區(qū)和回水區(qū)分離.其中，抽灌同井采用的是過濾器井（井孔直徑和井管直徑相同），回水進入地下含水層，與原水和含水層換熱后進入抽水區(qū)；填礫同井井孔直徑較井管直徑大，孔隙一般采用分選性較好的礫石回填，一部分回水進入地下含水層，一部分經過回填礫石區(qū)換熱后進入抽水管.

雖然單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)在國內外取得了一定應用［3-6］，但關于負荷對地源熱泵系統(tǒng)影響的實驗研究還不多，大多集中在土壤源熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)，例如華中科技大學開展的土壤源熱泵系統(tǒng)實驗研究［7］、重慶某江水源熱泵的現(xiàn)場實驗［8］和南京天加空調設備有限公司開展的地下水源熱泵運行特性研究［9］等.而實驗室中可控邊界條件和參數變化下的實驗探索還較缺乏，為此，搭建了單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)的物理模擬砂箱實驗臺，研究不同負荷條件下單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)的熱響應.

1 砂箱實驗臺

單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)的砂箱實驗原理見圖1（a），實景照片見圖1（b）.砂箱實驗臺部件參數見表1.在地下水運動特性的研究中，通常將含水層遠端邊界考慮成等壓、等溫邊界.所以在實驗過程中，保持砂箱的等壓、等溫的邊界條件是實現(xiàn)可信模擬的關鍵［10］.砂箱箱體采用聚丙烯PPR板，砂箱外壁采用橡塑保溫，砂箱內壁四周加設不銹鋼絲網，砂箱內裝填洗滌干凈的粗砂［11］.采用黃銅管模擬預制水井，其高度與含水層厚度相當，抽水區(qū)和回水區(qū)開孔長度均為150 mm［12］.熱源井與預制井結構見圖1（c）.

圖1 單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)砂箱實驗臺

實驗開始前打開砂箱底部的進水閥門，緩慢地自下而上充水，充分排除砂箱中的氣泡，該飽水過程一般約需24 h［13］.其次，調試實驗工況，關閉砂箱底部進水閥門，改由高位水箱供水，持續(xù)15 min，使砂箱中的“地下水”處于穩(wěn)定狀態(tài)，溢水管始終保持有水流溢出，控制邊界水頭恒定.最后，打開預制熱源井的進出口閥門，開啟循環(huán)水泵，開始實驗.

表1 砂箱實驗臺各部件參數

2 實驗結果

本實驗為熱源井取熱工況實驗，砂箱初始地溫為20℃，熱源井抽回區(qū)間距為300 mm，砂箱滿水壓力為17.4 kPa，通過觀察靠近砂箱邊界的測溫點溫度變化，在實驗進行23 min時，各工況下的邊界均保持絕熱，故選擇23 min作為各工況測試的統(tǒng)一時間進行對比分析.

通過兩種方式改變負荷：一是改變熱源井流量；二是改變負荷水箱溫度.每種熱源井共3個工況：1）基準工況為負荷水箱溫度5℃、抽水流量0.54 m3／h；2）降低負荷水箱溫度為1.5℃左右，保持抽水流量0.54 m3／h不變；3）負荷水箱溫度5℃不變，降低抽水流量為0.315 m3／h.

表2為3種井在不同取熱工況下的平均抽／回水溫度和取熱量，其中取熱量為

式中：Tg為抽水溫度，℃；Tr為回水溫度，℃；t為時間，s；Q為熱源井的取熱量，kJ；Cw為水的容積比熱容，kJ／（m3·℃）；Qw，p為抽水流量，m3／s.

2.1抽回水溫度影響分析

圖2給出了循環(huán)單井3種實驗工況下抽回水溫度變化曲線.在3種實驗工況中，隨著運行時間的延長，由于受到回灌冷水的影響，抽水溫度逐漸降低，對于基準工況抽水溫度在23 min內由18.5℃降到12.6℃，降低了5.9℃，而回水溫度最后基本穩(wěn)定在10.5℃.但實驗初期（前1 min），由于負荷水箱換熱管中儲存有較低溫度冷水導致回水溫度急劇下降，也引起了抽水溫度相對較快的變化.

結合圖2和表2，對比3種實驗工況可以看出，當抽水流量均為0.54 m3／h時，負荷水箱溫度由5.0℃降到1.5℃時，抽水溫度和回水溫度均降低，但平均抽回水溫差由2.2℃增加到3.0℃，導致取熱量增加；而當負荷水箱溫度維持5.0℃不變，抽水流量由0.54 m3／h減小到0.315 m3／h時，抽水經過負荷水箱之后出水溫度降低，導致抽回水溫度反而降低，取熱量顯著減小.

圖2 循環(huán)單井抽回水溫度隨時間的變化

對比循環(huán)單井2和循環(huán)單井3，兩者回水溫度相差不多，但循環(huán)單井2的平均抽水溫度較循環(huán)單井3高1.2℃，取熱量前者是后者的2.7倍，這說明在實驗工況這種滲透性較好的條件下，提高抽水流量對于提高循環(huán)單井承擔負荷的能力優(yōu)勢明顯，這一點也得到了理論研究的證實［14］.文獻［14］中，模擬循環(huán)單井流量從12 m3／h增加到24 m3／h時，抽回水溫差保持不變，平均抽水溫度反而從10.4℃增加到12.3℃.這是因為，當抽水流量增加時，水在井孔內流動遇到更大的阻力，這樣有更多的地下水流入和流出井孔，地下水的原水交換比增加，熱對流和對流換熱加強，原水交換負荷比增加［15］，從而使系統(tǒng)承擔更大的負荷.因此，對于滲透性能較好的含水層，通過提高抽水流量來承擔更大的負荷是一個利好的方法.當然抽水流量也不能過分加大，一方面急劇增加潛水泵的功耗；另一方面流速過快的地下水沖刷井孔壁，對井孔不利，應該進行技術經濟分析和安全評價.

對于抽灌同井和填礫同井，從表2可以看出，降低負荷水箱溫度和降低抽水流量的影響基本與循環(huán)單井一致，不再贅述.對比3種熱源井的實驗結果可以看出，相同工況下循環(huán)單井的抽回水平均溫度和取熱量最低，承擔負荷的能力最差.這是由熱源井的構造決定的，循環(huán)單井為基巖中的裸井，中間沒有隔斷，雖然沒有回灌困難的問題，但最易發(fā)生熱貫通.當抽水流量一定時，負荷增大使得各系統(tǒng)的平均抽水溫度均有所下降，平均抽回水溫差均略有上升.循環(huán)單井、抽灌同井和填礫同井的平均抽水溫度分別下降了1.0、0.6和0.4℃，平均抽回水溫差均升高了0.8℃，取熱量分別增加了32.7%、17.2%和17.3%.可見，平均抽水溫度隨著平均抽回水溫差的增大而降低，這與前期理論研究一致［6］.

考察抽水流量降低對3種熱源井的影響.負荷水箱溫度5.0℃，當抽水流量從0.54 m3／h降低41.7%到0.315 m3／h時，循環(huán)單井的取熱量降低了51.0%、抽灌同井的取熱量降低了31.6%、填礫同井降低了19.5%.可見，抽水流量的降低對循環(huán)單井的影響更大.反過來看，提高抽水流量對循環(huán)單井換熱量的影響更大，獲得更大的好處，而抽灌同井和填礫同井這一好處相對較小.

表2 實驗工況及實驗結果

2.2砂箱內部點溫度影響分析

實驗中在砂箱內共布置了24個測溫熱電偶，本節(jié)選?。?0和＃11兩個典型測溫點進行分析，＃10測溫點和＃11測溫點均位于與熱源井垂直的中心線上，其中，＃11測溫點緊貼熱源井布置在模擬“含水層”中，＃10測溫點距＃11測溫點的水平距離為150 mm，見圖1（a）.

圖3給出了循環(huán)單井、抽灌同井和填礫同井3種熱源井實驗中＃11測溫點在不同工況下溫度隨時間的變化曲線.從圖3可以看出，不論哪種熱源井和哪種工況，隨著取熱工況的進行，＃11測點溫度均降低，但3種熱源井對不同工況的溫度響應有所不同.對于循環(huán)單井（圖3（a）），除去實驗起始階段，＃11測溫點溫度高低的順序為循環(huán)單井3＞循環(huán)單井1＞循環(huán)單井2；而對于抽灌同井和填礫同井，基準工況的溫度最高，剩余兩個工況的溫度比較接近.其原因與熱源井的結構和實驗臺的設計有關.對于循環(huán)單井，其適用于基巖層，熱源井自身是沒有井壁的.但實驗臺設計時，模擬含水層為砂層，如不設井壁極易坍塌，為此仍然采用聚丙烯PPR開孔管作為井壁，人為地增大了井孔內抽回水進出模擬“含水層”的阻力.這樣當抽水流量較小時（對應于循環(huán)單井3的工況），回水基本在井孔內流動，雖然回水溫度較低（8.9℃），但導熱傳熱較慢，布置在模擬“含水層”中的＃11測溫點溫度降低相對較慢；而對循環(huán)單井2的工況，雖然回水溫度基本相同（圖2），但抽水流量較大，井孔內流動阻力增加，部分回水進入模擬“含水層”，這樣使得＃11測溫點溫度降低較多；循環(huán)單井1工況與循環(huán)單井2工況相比，由于回水溫度較高（圖2），使得＃11測溫點溫度降低相對較少.

對于抽灌同井和填礫同井，其熱源井內有隔板，大部分回水流入模擬“含水層”，因此，＃11測溫點的溫度主要受到回水溫度的影響.如表2所示，基準工況回水平均溫度最高、剩余兩個工況回水溫度基本一致，這一溫度特性也反映在圖3（b）和圖3（c）上.

填礫同井與抽灌同井的不同在于填礫同井井壁與井孔之間的間隙采用礫石回填，而抽灌同井井壁與井孔同直徑.按照本實驗臺的設計，抽灌同井的井孔直徑和井壁直徑均為73 mm，填礫同井井孔直徑為73 mm、井壁管直徑為40 mm（圖1（c））.這一設計的不同也反映在＃11測點溫度變化上.如圖3（b）所示，抽灌同井2和抽灌同井3兩工況回水溫度基本一致，均小于抽灌同井1工況，其＃11測溫點溫度的變化也基本一致，也小于抽灌同井1工況.而圖3（c）所示，＃11測點雖然物理位置未變，但相對填礫同井熱源井的位置要較抽灌同井遠，這樣當抽水流量降低時（對應于填礫同井3工況），其影響就較慢；比較填礫同井3工況與填礫同井2工況，回水溫度相差不多，這樣一段時間后＃11測點溫度又基本一致.

圖3 ＃11測溫點溫度隨時間的變化曲線

圖4給出了＃10測溫點溫度隨時間的變化曲線.對于循環(huán)單井的3種工況，從圖4（a）可以看出，在整個測試期間，不論流量和負荷水箱溫度是否變化，＃10測溫點的溫度幾乎沒有變化，說明循環(huán)單井熱源井回水冷量沒能影響到＃10測溫點.可見，循環(huán)單井的熱影響范圍很小，對于本實驗工況，其徑向熱影響范圍小于186.5 mm，大部分回水的換熱在熱源井內部完成，這樣也是其承擔負荷能力較差的原因.

圖4（b）和圖4（c）中抽灌同井和填礫同井在3種不同工況下，＃10測溫點的溫度變化趨勢類似.抽水流量減少（抽灌同井3和填礫同井3），＃10測溫點受到回水冷量的影響時間明顯滯后，影響的幅度也較小，說明抽水流量降低使得熱源井影響地下含水層溫度的速度放緩，這也是取熱量降低的原因.而當負荷增大（抽灌同井2和填礫同井2），＃10測溫點的溫度變化趨勢雖與基準工況一致，受到回水冷量影響后迅速下降并接近回水溫度.但在負荷較大的工況中，＃10測溫點的溫度降低更多，說明增大負荷會使抽水溫度降低，熱影響范圍更大.

圖4 ＃10測溫點溫度隨時間的變化曲線

3 結 論

1）在實驗工況這種滲透性較好的條件下，提高抽水流量能夠顯著提高循環(huán)單井的取熱量，抽水流量的降低對循環(huán)單井的影響更大.抽水流量從0.54 m3／h降低到0.315 m3／h時，取熱量降低了50.1%.

2）相同工況下循環(huán)單井的取熱量最低，僅為抽灌同井的50.3%，填礫同井的45.9%，其抽回水平均溫度也最低，最易發(fā)生熱貫通.但提高抽水流量對循環(huán)單井換熱量的影響較抽灌同井和填礫同井更大.

3）循環(huán)單井的熱影響范圍較抽灌同井和填礫同井小，承擔負荷能力最差.對于本實驗工況，其徑向熱影響范圍小于186.5 mm.提高抽水流量能夠增大熱源井的影響范圍，從而提高熱源井承擔負荷的能力.

［1］倪龍，姜益強，姚楊，等.單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)健康運行的研究［J］.流體機械，2009，37（4）：64-68.

［2］NI Long，LI Haorong，JIANG Yiqiang，et al.A model of groundwater seepage and heat transfer for single?well ground source heat pump systems［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31：2622-2630.

［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，New Jersey：ECOSTOCK，2006.

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

［5］倪龍，姜益強，姚楊，等.循環(huán)單井在不同水文地質條件下的運行特性［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2011，43（4）：47-51.

［6］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.

［7］於仲義，胡平放，袁旭東.土壤源熱泵地埋管換熱實驗研究［J］.華中科技大學學報：城市科學版，2008，25（3）：157-161.

［8］王勇，卿菁，劉清華.閉式江水源熱泵系統(tǒng)水流量最優(yōu)值的計算方法［J］.重慶大學學報，2013，36（3）：109-113.

［9］孫愛國，梁路軍.水源熱泵機組地下水變流量運行特性研究［J］.暖通空調，2010，40（11）：83-85.

［10］宋偉，倪龍，姚楊.不同抽回間距的單井循環(huán)地下水源熱泵系統(tǒng)實驗研究［J］.農業(yè)工程學報，2014，30（2）：205-211.

［11］宋偉，倪龍，姚楊.單井循環(huán)系統(tǒng)在不同初始地溫下的特性［J］.哈爾濱工程大學學報，2014，35（3）：342-346.

［12］倪龍，宋偉，唐明宇，等.單井循環(huán)地下?lián)Q熱系統(tǒng)初步試驗研究［J］.建筑科學，2012，28（增刊2）：195 -197.

［13］陳崇希，萬軍偉，詹紅兵，等.“滲流-管流耦合模型”的物理模擬及其數值模擬［J］.水文地質工程地質，2004，1：1-8.

［14］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(yè)大學，2007.

［15］倪龍，姜益強，姚楊，等.循環(huán)單井與含水層的原水交換［J］.太陽能學報，2010，31（6）：743-748.

（編輯趙麗瑩）

Experimental research on single well groundwater heat pump systems in building load variations

SONG Wei，NI Long，YAO Yang
（Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

Because of insufficient research on single well groundwater heat pump systems，a physical simulation experiment table has been set up to study the flow and heat transfer law in these systems.Experimental research on building load variations has been carried out.The results show that in the same experimental conditions the absorption quantities of standing column well（SCW）are only 50.3%and 45.9% of pumping and recharging well（PRW）and pumping and recharging well filled with gravel（PRWFG）respectively.In addition，the radialthermal influence scope of SCW is less than 186.5 mm.However，the heat absorption quantities of SCW，PRW and PRWFG reduce to 51.0%，31.6%and 19.5%individually，when the flow rate of outlet water drop from 0.54 m3／h to 0.315 m3／h.Thereby the load capacity of SCW is the least one in these three systems.However，the variation of the flow rate of outlet water can impact on SCW more significantly.It is more obvious that increasing the flow rate of the outlet water can improve the load capacity and the thermal influence scope of the thermalsource wells.Thus，the load capacity of thermalsource wells can be increased.

groundwater heat pump；single well；sand tank experiment；flow rate of outlet water；building load variations

TK529

A

0367-6234（2014）08-0051-06

2013-08-21.

國家自然科學基金資助項目（41002085）.

宋 偉（1982—），男，博士研究生；

姚 楊（1963—），女，教授，博士生導師.

倪 龍，nilonggn＠163.com.