单井循环系统在不同初始地温下的特性

宋伟，倪龙，姚杨

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所，黑龙江哈尔滨150090)

与传统的双井地下水源热泵系统相比，单井循环地下水源热泵系统具有水井个数少、初投资低等优势，因此近年来逐渐受到关注。目前该系统共有3种形式，即循环单井、抽灌同井和填砾同井［1］。20世纪70年代中期，循环单井开始在美国开发，美国现在大约安装1 000个这种热源井［2-3］，大部分位于东北部和毗连加拿大的地区［4］。此外，由于特殊的地质条件，韩国安装的地源热泵中有近30%的热源井采用了循环单井［5］。抽灌同井最早的公开报道是1992年丹麦技术大学校园内的一个实验井，该实验热源井钻孔直径0.4 m、孔深45 m、在深度29～34 m和38～43 m处安装了过滤网［6］。2000年我国专利报道了填砾同井［7］。该热源井于2001年在北京某工程上投入运行并取得成功［8］，随后开始推广全国多个省份［9］。

单井循环地下水源热泵系统虽然在工程上获得了一定的应用，但相关研究工作还较欠缺，且在国内外文献中尚未见到关于实验室模拟研究的报道。为此，本文搭建了单井循环地下水源热泵系统的砂箱实验台，旨在研究初始地温对单井循环地下水源热泵系统特性的影响。

1 砂箱实验台

单井循环地下水源热泵系统的3种形式如图1所示。该系统的砂箱实验台系统图如图2所示，热源井及预制井如图3所示。砂箱实验台设计的整体思路是通过能量守恒原理来研究砂箱中“含水层”流动及换热的特性，即用砂箱来模拟地下含水层，用负荷水箱来模拟建筑负荷，从而提供供回水温差。忽略管道及箱体与室内空气的热量交换，进出负荷水箱管路的换热量应当等于进出热源井的换热量。砂箱实验台部件参数如表1所示，关于实验台的设计及采集系统的详细情况参见文献［10］。

表1 砂箱实验台各部件参数Table 1 The component parameters of sand tank experiment table

图1 单井循环地下水源热泵系统Fig.1 Single well groundwater heat pump systems

图2 砂箱实验台系统Fig.2 System diagram of sand tank experiment table

图3 热源井与预制井Fig.3 Thermal well and prefabricated wells

2 实验结果与分析

2.1 实验步骤

实验开始前的准备分为2步，分别是砂箱饱水排气、含水层定温定压。砂箱饱水排气过程一般持续24 h，首先打开砂箱底部的进水阀门和上部的回水阀门，缓慢地充水，充水过程自下而上，充分排除砂箱中的气泡。砂箱饱水排气之后，关闭砂箱底部进水阀门和上部的回水阀门，由高位水箱供水，打开砂箱中部阀门定压，溢水管保持有水流溢出，控制水头为定值，砂箱内部温度分布均匀，恒定在所需要的初始地温附近。稳压过程持续15 min之后开始实验。

本次实验中抽回区间距为300 mm，初始地温分别为13℃和20℃，负荷水箱温度分别为5℃(取热工况)、30℃(放热工况)，流量为 1.5×10-4m3/s，满水压力 17.4 kPa，测试时间 23 min。

2.2 实验结果

图4给出了填砾同井抽回水温度变化曲线，实验条件为初始地温为20.1℃、取热工况。由图4可以看出，随着热源井运行的持续，回灌的取热后冷水越多，抽水温度也随之逐渐降低。在实验的23 min 内，抽水温度由 19.5℃降到 17.4℃，降低了2.1℃，而回水温度基本稳定在13.4℃。由于负荷水箱冷冻水在实验开始前已经制备，并且在整个实验过程中维持5℃左右，这样实验开始时，负荷水箱与热源井相连的换热管中储存水的温度就会较低，导致实验初期(前1 min)，这部分冷水直接回到砂箱，导致回水温度的测量值剧降，从而引起抽水温度较快的变化。这部分冷水被砂箱中来水置换后，回水温度恢复正常。

图4 抽回水温度变化Fig.4 The temperature of outlet and inlet water

表2中给出了3种井在初始地温为20℃和13℃下、取热工况和放热工况的测试结果。从循环单井(循单)的测试结果中可以看出，当初始地温从20.2℃降到13.3℃时，取热工况的平均抽回水温差从2.2℃降低到1.0℃，取热量降低了56.2%;放热工况的平均抽回水温差从 3.7℃ 升高到 5.5℃，放热量增加了48.9%。初始地温对抽灌同井(抽同)和填砾同井(填砾)的影响类似。对抽灌同井，当初始地温从20.6℃降到12.8℃时，取热工况的平均抽回水温差从4.4℃降低到1.2℃，取热量降低了71.7%;放热工况的平均抽回水温差从 5.0℃ 升高到 7.9℃，放热量增加了56.8%。对填砾同井，取热工况的平均抽回水温差从4.8℃降低到 1.8℃，取热量降低了 64.4%;放热工况的平均抽回水温差从5.1℃升高到8℃，放热量增加了 56.3%。

可见，当初始地温降低后，抽灌同井受到的影响最大，这主要是因为抽灌同井的换热量主要来自与地下原水间的换热，当地温降低后，直接影响换热量的大小;填砾同井的一部分回水直接穿过砾石换热后进入抽水管，未进入含水层与地下原水换热，所以受到含水层温度的影响较抽灌同井略低;而循环单井大部分换热发生在热源井内，因此受到含水层温度的影响最小，但换热效率最低。

通过表2还可以看出，在取热工况和放热工况中，初始地温变化相同温度后，取热量升高或降低的百分比要比放热量升高或降低的百分比大，即初始地温对取热工况的影响更大。对实际水源热泵系统亦是如此，初始地温与回水温度的差值一般来说取热工况要小于放热工况，其地下水可利用的温差也要小于放热工况。

对比3种热源井同一初始地温、同一工况下的换热量可知，循环单井换热量最小、取热工况下抽水温度最低、放热工况下抽水温度最高。如初始地温为20℃、取热工况下，抽灌同井的换热量为循环单井的2.0倍，填砾同井的换热量为循环单井的2.2倍。表明，循环单井承担负荷的能力最差。填砾同井的换热量虽大于抽灌同井，但差别不明显。从热源井的基本构造上来说，抽灌同井比填砾同井更能阻止回水的短路，能承担更大的负荷。但实验过程中，可能由于抽灌同井隔板封闭不严而降低抽灌同井承担负荷的能力，或填砾同井热源井中填砾过密等而提升填砾同井承担负荷的能力。

2.3 砂箱内部点分析

实验中在砂箱内共布置了24个测温热电偶，本文选取#10和#11这2个典型测温点进行分析，#10和#11位于与热源井垂直的中心线上，其中，#11紧贴热源井布置，#10距#11的水平距离为150 mm，如图2所示。

图5给出了#11测温点在3种井取、放热工况下的温度变化曲线。由于#11测温点紧靠热源井井壁，从图5中可以看出，不论取热工况还是放热工况，该点温度很快受到回水的影响，取热工况温度很快降低、放热工况温度很快升高。在填砾同井取热工况中，当初始地温为20.1℃时，实验进行2 min后，#11测温点温度开始受到热源井回水冷量的影响，而急速从19.9℃下降到12.7℃，此时温度已接近回水温度;当初始地温为13.1℃时，实验进行 2.5 min后，#11 测温点温度开始急速下降，并接近回水温度。比较3种热源井实验下该点温度的变化可以看出，填砾同井温度变化最快，抽灌同井温度变化最慢。

图5 #11测温点温度变化Fig.5 The temperature of#11

图6给出了#10测温点在3种井取、放热工况下的温度变化曲线。从图6中可以看出热量传递的过程，在填砾同井取热工况中，当初始地温为20.1℃时，实验进行8 min后，#10测温点温度才开始受到热源井回水冷量的影响，逐渐从 20.2℃下降到 13.5℃，此时已与回水温度接近。在抽灌同井取热工况中，当初始地温为 20.6℃和 12.8℃时，实验进行 13 min后，#10测温点温度开始下降并接近回水温度。而在循环单井中，#10测温点的温度变化不大，说明在测试期间#10测温点尚未受到热源井回水冷量的影响，大部分换热发生在热源井内部，其热影响的范围更小。这也是循环单井承担负荷能力较差的原因。

比较图5、6可以看出，#10测温点较#11测温点远离热源井(间距150 mm)，温度受影响的时间较长、影响的程度也较低。对于初始地温20.1℃的取热工况而言，填砾同井实验中#10测温点温度变化较#11测温点的延迟时间为6 min，实验终了温度较#11测温点高约0.7℃。这一现象对循环单井更为明显。

图6 #10测温点温度变化Fig.6 The temperature of#10

3 结论

1)本文搭建的砂箱实验台能够反应循环单井、抽灌同井和填砾同井运行时的换热特性，采用实验室物理模拟热源井的换热是可行的，能够正确的反应物理现象。

2)3种热源井中循环单井承担负荷的能力最低，抽回水温度变化最大，热影响范围最小。

3)在取热工况和放热工况中，含水层温度变化相同温度后，取热量变化的百分比要比放热量的变化大，在以供热为主的地区，应注意初始地温变化对取热工况的影响。

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