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第 30 卷 第 2 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.2 2014 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2014 205 不同抽回间距的单井循环地下水源热泵系统试验 宋 伟，倪 龙 ，姚 杨 （哈尔滨工业大学 热泵空调技术研究所，哈尔滨 150090） 摘 要：针对单井循环地下水源热泵系统的研究不足，搭建了物理模拟砂箱试验台研究单井循环地下水源热泵系 统地下水流动和换热规律，并开展了抽回间距变化的试验研究。结果表明，增大抽回间距能够显著改善三种热源 井的抽水温度，在条件允许的情况下应尽量增大热源井的抽回间距；当抽回间距增加相同数值，抽水温度改善情 况循环单井最好，其次是填砾同井，最后是抽灌同井，增加抽回间距对热贯通严重的热源井更有效。 关键词：泵；地下水；试验；单井；砂箱；抽回间距 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.02.027 中图分类号：TK529 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-02-0205-07 宋 伟，倪 龙，姚 杨. 不同抽回间距的单井循环地下水源热泵系统试验J. 农业工程学报，2014，30(2)： 205211. Song Wei, Ni Long, Yao Yang. Experiment on single well groundwater heat pump systems in different distances between pumping and injection screensJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(2): 205211. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 随着全球能源危机和环境问题的日益加剧，地 源热泵系统作为一种绿色节能系统得到了广泛应 用1。单井循环地下水源热泵系统作为一种新型地 源热泵系统得到广泛关注，该系统目前主要有 3 种 形式，即循环单井、抽灌同井和填砾同井2，它们 都是从下部含水层区域取水，换热后的地下水再回 到上部含水层区域3。与循环单井不同，抽灌同井 和填砾同井的热源井增加了井壁，为了降低热突 破，在井孔内设置了隔板，分隔井内抽水区和回水 区4-5。由于主动引导地下水强迫流动换热， 单井循 环地下水源热泵系统承担负荷的能力明显优于土 壤源热泵6-8。 虽然单井循环地下水源热泵系统在国内外开展 了一定的工程应用9-11， 但研究主要集中在理论研究， 例如抽灌同井的地下水降深理论解12-13和二维换热 数学模型14、 循环单井的一维换热数学模型15-17和二 维轴对称流动和换热数学模型18-20、循环单井与含 水层的原水交换21等。有关单井循环地下水源热泵 系统的相关试验研究还不多，大多集中在现场试验 收稿日期：2013-09-25 修订日期：2014-01-04 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (41002085) 作者简介：宋 伟（1982） ，男，河北沧州人，博士，研究方向：地 源热泵技术与应用。哈尔滨 哈尔滨工业大学市政环境工程学院， 150090。Email: stillwater2013 通信作者：倪 龙（1979） ，男，湖北汉川人，副教授，硕士生导 师，研究方向：热泵理论与应用。哈尔滨 哈尔滨工业大学市政环境工 程学院，150090。Email: nilonggn 研究，例如美国宾夕法尼亚州立大学在校园内开展 的循环单井现场试验22、加拿大某住宅 2 口无排放 循环单井的现场试验23、丹麦技术大学开展的抽灌 同井现场试验24和北京某抽灌同井的现场试验25 等。而试验室中可控边界条件和参数变化下的试验 探索还较缺乏，造成热源井的设计、适用的地质条 件以及相关的运行规律还一知半解。为此，搭建了 单井循环地下水源热泵系统的物理模拟砂箱试验 台，研究不同抽回间距条件下单井循环地下水源热 泵系统的特性。 1 材料与方法 1.1 砂箱试验台 单井循环地下水源热泵系统的热源井与预制 井结构图如图 1a 所示，砂箱试验台系统如图 1b 所 示。砂箱试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。砂箱试验台部件参数 如表 1 所示，关于试验台的设计及采集系统的详细 情况参见文献2。 1.2 试验设计 本次试验共设有 24 个试验工况，如表 2 所示。 具体为循环单井（循单）、抽灌同井（抽同）和填 砾同井（填砾）3 种热源井的预制井抽回区间距均 有 4 种情况，即 0、150、300、450 mm；负荷水箱 农业工程学报 2014 年 206 温度针对取热和放热工况分别设定为 5和 30。 试验初始地温均设定为 20，循环水泵流量设定为 1.510-4 m3/s，砂箱满水压力为 17.4 kPa，测试时间 为 18 min。 试验之前应将砂箱充满水，维持设计压力，将 温度调到所需的初始地温，并尽量保持均匀分布。 第 1 步，初始水箱及微调水箱持续制备所需初始地 温的水；第 2 步，打开阀门 A 和 B，自下而上的缓 慢充水，排除砂箱中的气泡，并使砂箱温度调到试 验工况温度，该过程持续约 24 h26；第 3 步，关闭 阀门 A 和 B，开启阀门 C 和 D，改由高位水箱供水 并溢流，持续 15 min，为砂箱稳压，控制边界水头 恒定。 最后， 打开预制热源井的进出口阀门 E 和 F， 开启循环水泵，开始试验。 a. 热源井与预制井结构图 a. Structure of thermal wells and prefabricated inserts b. 砂箱试验台系统图 b. Test system diagram of sand tank test-bed 图 1 单井循环地下水源热泵系统砂箱试验台 Fig.1 Sand tank test-bed of single well groundwater heat pump 表 1 砂箱试验台各部件参数 Table 1 Each component parameters of sand tank experiment 参数 Parameters 数值 Values 参数 Parameters 数值 Values 参数 Parameters 数值 Values 参数 Parameters 数值 Values 砂箱 Sand tank 1.5 m1.5 m1 m 循环水泵功率 Circulating pump/kW 0.28 高位水箱 Isobaric tank 0.4 m0.4 m0.8 m 预制井直径 Diameter of inserts/mm 22 初始水箱 Initial tank 0.7 m0.7 m0.7 m 分体空调机 Air source heat pump unit/kW 2.5 电加热器 A Electric heater A/kW 1 砾石直径 Diameter of gravel/mm 24 负荷水箱 Load tank 1 m1 m1 m 热源井直径 Diameter of thermal well/mm 73 电加热器 B Electric heater B/kW 0.5 井深 Length of thermal well/mm 920 第 2 期 宋 伟等：不同抽回间距的单井循环地下水源热泵系统试验 207 表 2 试验工况汇总 Table 2 Summary of test conditions 间距 DPI/mm 参数 Parameters 循单取热 SCW-H 循单放热 SCW-C 抽同取热 PRW-H 抽同放热 PRW-C 填砾取热 PRWFG-H 填砾放热 PRWFG-C 初始地温 Initial aquifer temperature/ 19.9 20.3 19.7 20.0 20.1 20.4 0 负荷水箱温度 Load tank temperature/ 4.9 30.2 4.8 29.9 5.0 29.9 初始地温 Initial aquifer temperature/ 19.9 20.7 20.9 19.9 19.8 20.3 150 负荷水箱温度 Load tank temperature/ 4.9 30.2 5.1 29.9 4.7 30.0 初始地温 Initial aquifer temperature/ 20.2 20.0 20.7 19.9 20.1 20.0 300 负荷水箱温度 Load tank temperature/ 5.0 30.5 4.8 30.0 5.0 30.3 初始地温 Initial aquifer temperature/ 20.2 20.0 20.0 19.7 20.4 19.4 450 负荷水箱温度 Load tank temperature/ 4.7 30.6 4.8 29.5 4.4 29.6 注： SCW-H: SCW in heating mode; SCW-C: SCW in cooling mode; PRW-H: PRW in heating mode; PRW-C: PRW in cooling mode; PRWFG-H: PRWFG in heating mode; PRWFG-C: PRWFG in cooling mode. 2 结果与分析 2.1 抽回水温度影响分析 图 2 给出了抽灌同井抽回水温度随时间的变化 曲线。试验条件为抽回间距为 150 mm、取热工况、 初始地温 20。从图 2 中可以看出，随着试验的持 续，受到回灌冷水的影响，抽水温度逐渐降低。抽 水温度在 18 min 内由 19.9降到 16.2，降低了 3.7， 回水温度除了试验初期由于负荷水箱换热管 中储存有较低温度冷水而快速下降和恢复外，基本 稳定在 12.5。 图 2 抽回水温度随时间的变化 Fig.2 Temperature changes of outlet and inlet water 图 3 为 3 种井在不同抽回间距下取热工况的平 均抽水温度、抽回水温差和取热负荷随抽回间距的 变化曲线。其中抽回水温差和取热负荷由下式计 算： () gr t TT T t = （1） , () ww pgr t QC QTT= （2） 式中：T 为抽回水温差，；Tg为抽水温度，； Tr为回水温度，；t 为时间，s；Q 为热源井的取/ 排热负荷，kJ；Cw为水的容积比热容，kJ/(m3)； Qw,p