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(xiàn)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(tǒng)的換熱性能，利用多功能數(shù)據(jù)采集儀，對綿陽市某填礫抽灌同井地源熱泵系統(tǒng)的夏季取冷進行了現(xiàn)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(shù)由77.1%降到3.9%?？梢姵樗髁康淖兓瘜μ畹[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(shù)為3.9%。

填礫抽灌同井；抽水流量；抽回水溫差；熱貫通系數(shù)

同井回灌地下水地源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)又分為：單井循環(huán)系統(tǒng)和抽灌同井系統(tǒng)。單井循環(huán)系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)與井壁巖土進行換熱[2]。抽灌同井系統(tǒng)又分為：無回填抽灌同井和礫石回填抽灌同井。其區(qū)別是，無回填抽灌同井在井孔內(nèi)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]?；厮荒苤苯舆M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(qū)；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(tǒng)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(xiàn)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(qū)。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(jīng)熱泵機組取熱(放熱)后，由循環(huán)水泵回灌入礫石回填區(qū)，回灌水一部分通過礫石回填區(qū)外壁直接進入地下含水層或流入土壤；另一部分與礫石區(qū)及含水層換熱后流動到抽水區(qū)，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(shù)：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(xiàn)場試驗方法與儀表

2.1 現(xiàn)場試驗方法

填礫抽灌同井地下水地源熱泵系統(tǒng)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(nèi)?，F(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)采集儀用 Agilent 34970 A 多功能數(shù)據(jù)采集儀，測量范圍：0～1 A，精度為 ±0.01%。該數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)置數(shù)字萬用表，每秒掃描多達 250 個通道，提供了快速瞬時態(tài)響應能力和高精度快速測量能力[4]。潛水泵與循環(huán)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(xiàn)場試驗結果及分析

本次現(xiàn)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(tǒng)運行穩(wěn)定開始測試，測試周期均為 72 h，數(shù)據(jù)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(tǒng)穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(huán)水泵功耗也將增大，不利于系統(tǒng)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(shù)的定義為[5]：

式中：ψ——熱貫通系數(shù)，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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)穩(wěn)定運行后，回水平均溫度，℃。

本次現(xiàn)場試驗中，各組工況下的熱貫通系數(shù)見表 2。

表2 各組工況下的熱貫通系數(shù)

熱貫通現(xiàn)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(shù)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(shù)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)，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(tǒng)運行時應盡量避免出現(xiàn)大的熱貫通。該現(xiàn)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(jīng)濟合適。

4 結 語

(1) 抽水流量對填礫抽灌同井穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)象的主要因素。熱貫通嚴重會使含水層溫度失衡，熱泵系統(tǒng)運行效率降低。該現(xiàn)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(shù)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(diào)制冷2004年學術年會綜述[J].暖通空調(diào),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(diào),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(tǒng)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(yè)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(xiàn)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。