某砾石回填抽灌同井地源热泵系统现场测试研究

西藏自治区科技厅能源研究示范中心 ■ 万溧 蒲泽伟 温琪琪

0 引言

同井回灌地下水地源热泵系统于2001年首次在北京投入使用，其推广与运用速度很快[1]，该热泵系统分为单井循环系统和抽灌同井系统。单井循环系统是地埋管地源热泵同轴套管换热器的一种变形，在强岩层之下取消了套管外管，水直接在井孔内循环与井壁岩土进行换热[2]。抽灌同井系统又分为无回填抽灌同井和砾石回填抽灌同井，二者的区别是：无回填抽灌同井在井孔内设置隔板，将整个井分为抽水段、中间隔断段和回水段3个部分[3]，回水不能直接进入抽水段，而是与地下水原水和含水层换热后再回到抽水段，加强了换热；砾石回填抽灌同井是在井孔与井管之间回填分选性较好的砾石，回水被分为两部分，一部分与砾石换热后，再与原水混合进入抽水区，另一部分直接进入地下含水层。同井回灌地下水地源热泵系统最关键的两个问题是热贯通和回灌堵塞。本文对绵阳某砾石回填抽灌同井地源热泵工程的热贯通问题开展了现场试验研究，并对测试结果进行了分析。

1 工程概况

现场测试时间为2016年10月5-10日，测试工程位于四川省绵阳市裕都大道金家林软件园区，测试井是砾石回填抽灌同井井群中的一口井，其目的是为附近办公楼提供冷、热源。潜水泵抽取的一部分回水和地下水原水，经热泵机组取热(放热)后，由循环水泵回灌入砾石回填区，回灌水一部分通过砾石回填区外壁直接进入地下含水层或流入土壤；另一部分与砾石区及含水层换热后流动到抽水区，通过抽水段下部花管，与原水混合被潜水泵抽取。

测试井成井参数：井深38 m，孔径1500 mm，隔热管管径DN159，抽水管径DN50，回水管径DN50，选用10～30 mm蓄能颗粒，潜水泵距含水层底部4 m，地下水静水位17 m，动水位14 m，井口用水泥封井。测试井结构图如图1所示。

图1 测试井结构图

2 现场试验方法与仪表

2.1 现场试验方法

砾石回填抽灌同井地下水地源热泵系统最关注的问题是热贯通，即回水中蕴含的冷(热)量在抽水中所占的比例，以及抽水温度是否在允许的范围内。现场试验方法主要分为两部分：地源侧部分和用户侧部分。图2给出了现场试验方法，用于测试砾石回填抽灌同井的抽回水温度和流量。如图2所示，在抽水管上设置温度传感器、流量传感器和压力传感器，在回水管上设置温度传感器和压力传感器。

此次现场试验在靠近抽水管处共设置了3个测温点，用于测试抽水温度和含水层温度变化，其中，1#测温点位于含水层底部，2#、3#测温点在竖直方向上分别距1#测温点5 m和10 m，如图3所示。

图2 现场试验方法

图3 测温点布置图

2.2 现场试验仪表

温度传感器采用深圳柏特瑞电子有限公司的TEM-100型号数字化传感器，测温范围为-10～50 ℃，精度为±0.5 ℃。流量传感器采用LWGYMIK-DN32型号的液体涡轮流量计，测量范围为1.5～15 m3/h，精度为±1.0%。数据采集仪采用Agilent 34970A多功能数据采集仪，测量范围为0～1 A，精度为±0.01%；该数据采集仪内置数字万用表，每秒扫描多达250个通道，提供了快速瞬时态响应能力和高精度快速测量能力[4]。潜水泵与循环泵均采用3 kW的不锈钢泵，流量范围为0～15 m3/h，精度为±1.0%。

3 现场试验结果及分析

本次现场试验在典型的夏季取冷工况下进行，砾石回填抽灌同井初始温度为17.8 ℃，地下水静水位为17 m，动水位为14 m；共进行4组不同的工况测试，分别是抽水流量为8、10、12、14 m3/h时的温度变化情况。每组工况均在砾石回填抽灌同井恢复到初始温度后，待系统运行稳定后开始测试，测试周期均为72 h，数据记录间隔为10 min。测试结果如图4～图7所示。

图4 抽水流量为8 m3/h时的温度变化情况

图5 抽水流量为10 m3/h时的温度变化情况

图6 抽水流量为12 m3/h时的温度变化情况

图7 抽水流量为14 m3/h时的温度变化情况

4种工况的换热量为：

式中，Q为换热量，kJ/h；V为抽水流量，m3/h；ρ为水密度，取 1.0×10³ kg/m3；c为水定压比热容，取4.2 kJ/(kg·℃)；Δtw为抽回水温差，℃。试验工况及试验结果见表1。

表1 试验工况及试验结果

由图4～图7和表1可知，在系统稳定运行后，抽水、回水温度，抽回水温差基本保持不变。随着抽水流量的增大，抽水、回水温度上升，抽回水平均温差减小，且抽回水温差之间的差值减小，差值由工况1与工况2的0.4 ℃降至工况3与工况4的0.2℃。因此，随着抽水流量的逐渐增大，抽回水温差将下降到趋于稳定。由于抽回水温差减小将使砾石回填抽灌同井温升减小，抽水流量增大又会使砾石回填抽灌同井温升增大，但两者的综合效果是砾石回填抽灌同井抽水温度上升，所以，抽水流量对砾石回填抽灌同井稳定运行的水温影响更大。单位时间换热量由工况1的23.3 kJ/h上升到工况4的26.1 kJ/h，上升幅度为2.8 kJ/h，换热量上升了12%。因此，盲目增加抽水流量并不能获得理想的换热量，对于砾石回填抽灌同井地下水地源热泵系统而言，抽水流量亦应有一定的选择与限制[5]。该工程可以通过抽水流量、水泵总功耗、地源热泵侧能效比(COP)3个因素综合考虑，以此来确定最佳抽水流量。3个因素之间的关系如图8所示。

由图8可知，抽水流量与水泵总功耗成正比，COP与水泵总功耗成反比。两者耦合处抽水流量为10.5 m3/h，此时水泵总功耗为4.5 kW，COP为5.5，换热量约为25 kJ/h，相对于工况1，换热量仅增加7.3%。

图8 3个因素关系图

确定最佳抽水流量时，应同时考虑水泵总功耗及COP。COP为7.25，能效比高，水泵总功耗为3.4 kW，换热量为23.3 kJ/h，所以，抽水流量为8 m3/h时，其为最佳抽水流量。若抽水流量增大，潜水泵功耗增大，回灌压力增大且回灌难度增加，循环水泵功耗也将增大，不利于系统运行。所以合理确定抽水流量，应综合考虑热泵效率、水泵功耗及回灌难度。

热贯通系数的定义为[6]：

式中，ψ为热贯通系数，即回水在抽水中所占的百分比；ΔTt=Tc-T0，ΔTt为平均热贯通温度量值，℃；T0为砾石回填抽灌同井初始温度，℃；Tc为夏季取冷工况下系统稳定运行后的抽水平均温度，℃；ΔTl=Th-Tc，ΔT1为夏季取冷工况下系统稳定运行后的抽回水平均温差，℃；Th为夏季取冷工况下系统稳定运行后的回水平均温度，℃。

本次现场试验中，各组工况下的热贯通系数如表2所示。

表2 各组工况下的热贯通系数

热贯通现象的严重程度主要由含水层结构特性及含水层换热能力决定。由表2可知，随着抽水流量的增加，热贯通系数迅速增大，抽水中回水所占的比例也迅速增大。如在工况2时，热贯通系数为32.3%，即抽水中约有1/3来自回水。若常年以此工况运行，可能对砾石回填抽灌同井热泵造成的影响增大，含水层温度失衡，砾石回填抽灌同井地源热泵系统运行效率下降。当以工况1(抽水流量为8 m3/h)条件运行时，热贯通系数仅为3.9%，且抽水平均温度为17.9 ℃，接近砾石回填抽灌同井初始温度，在该工况下能常年高效的运行系统，而不会引起含水层温度失衡的问题。因此，砾石回填抽灌同井地源热泵系统运行时应尽量避免出现大的热贯通，该现场试验工程采用大抽回水温差、小抽水流量的运行方式更经济合适。

4 结论

抽水流量对砾石回填抽灌同井稳定运行的水温影响更大。增大抽水流量会使抽回水温度上升，抽回水温差减小，抽回水温差降减小。抽水流量从8 m3/h提高到14 m3/h时，换热量从23.3 kJ/h上升到26.1 kJ/h，换热量提高12%。

抽水流量增大，将使水泵功耗增加，回灌压力增加且回灌难度增大。该现场试验工程最佳抽水流量为8 m3/h，此时水泵总功耗为3.4 kW，COP为7.25，能效比高。

含水层结构特性及换热能力是影响热贯通现象的主要因素。热贯通严重会使含水层温度失衡，热泵系统运行效率降低。该现场试验工程在最佳抽水流量(8 m3/h)情况下运行时，热贯通系数仅为3.9%，且抽水温度接近砾石回填抽灌同井初始温度。因此对于该工程而言，小抽水流量、大抽回水温差的运行方式更合理。

[1]李志浩. 全国暖通空调制冷2004年学术年会综述[J]. 暖通空调, 2004, 34(10): 5－12

[2] Simon J R,Jeffrey D S,zheng Deng,et a1.A study of geothemal heat pump and standing c01umn well perfomance[G]//ASHRAE Trans, 2004, 1lo(1): 3－13

[3]倪龙,马最良. 热负荷对同井回灌地下水源热泵的影响[J].暖通空调, 2005, 35(3): 12－14

[4]李照州, 郑小兵, 吴浩宇, 等.新型智能温度传感器在辅亮度标准探测器温控系统中的应用[J]. 量子电子学报, 2005,22(5): 806－809

[5]倪龙, 马最良. 热负荷对同井回灌地下水源热泵的影响[J].暖通空调, 2005, 35 ( 3): 12－14

[6]倪龙. 同井回灌地下水源热泵源汇井运行特性研究[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文, 2007.