西藏自治區(qū)科技廳能源研究示范中心 ■ 萬溧 蒲澤偉 溫琪琪

0 引言

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(yùn)用速度很快[1]，該熱泵系統(tǒng)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(qiáng)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(jìn)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，二者的區(qū)別是：無回填抽灌同井在井孔內(nèi)設(shè)置隔板，將整個(gè)井分為抽水段、中間隔斷段和回水段3個(gè)部分[3]，回水不能直接進(jìn)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(qiáng)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(jìn)入抽水區(qū)，另一部分直接進(jìn)入地下含水層。同井回灌地下水地源熱泵系統(tǒng)最關(guān)鍵的兩個(gè)問題是熱貫通和回灌堵塞。本文對(duì)綿陽某礫石回填抽灌同井地源熱泵工程的熱貫通問題開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 工程概況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間為2016年10月5-10日，測(cè)試工程位于四川省綿陽市裕都大道金家林軟件園區(qū)，測(cè)試井是礫石回填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(jī)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(jìn)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(dòng)到抽水區(qū)，通過抽水段下部花管，與原水混合被潛水泵抽取。

測(cè)試井成井參數(shù)：井深38 m，孔徑1500 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(dòng)水位14 m，井口用水泥封井。測(cè)試井結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試井結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法與儀表

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

礫石回填抽灌同井地下水地源熱泵系統(tǒng)最關(guān)注的問題是熱貫通，即回水中蘊(yùn)含的冷(熱)量在抽水中所占的比例，以及抽水溫度是否在允許的范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法主要分為兩部分：地源側(cè)部分和用戶側(cè)部分。圖2給出了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，用于測(cè)試礫石回填抽灌同井的抽回水溫度和流量。如圖2所示，在抽水管上設(shè)置溫度傳感器、流量傳感器和壓力傳感器，在回水管上設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器。

此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在靠近抽水管處共設(shè)置了3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，用于測(cè)試抽水溫度和含水層溫度變化，其中，1#測(cè)溫點(diǎn)位于含水層底部，2#、3#測(cè)溫點(diǎn)在豎直方向上分別距1#測(cè)溫點(diǎn)5 m和10 m，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

圖3 測(cè)溫點(diǎn)布置圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(hào)數(shù)字化傳感器，測(cè)溫范圍為-10～50 ℃，精度為±0.5 ℃。流量傳感器采用LWGYMIK-DN32型號(hào)的液體渦輪流量計(jì)，測(cè)量范圍為1.5～15 m3/h，精度為±1.0%。數(shù)據(jù)采集儀采用Agilent 34970A多功能數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)量范圍為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(dá)250個(gè)通道，提供了快速瞬時(shí)態(tài)響應(yīng)能力和高精度快速測(cè)量能力[4]。潛水泵與循環(huán)泵均采用3 kW的不銹鋼泵，流量范圍為0～15 m3/h，精度為±1.0%。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在典型的夏季取冷工況下進(jìn)行，礫石回填抽灌同井初始溫度為17.8 ℃，地下水靜水位為17 m，動(dòng)水位為14 m；共進(jìn)行4組不同的工況測(cè)試，分別是抽水流量為8、10、12、14 m3/h時(shí)的溫度變化情況。每組工況均在礫石回填抽灌同井恢復(fù)到初始溫度后，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后開始測(cè)試，測(cè)試周期均為72 h，數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min。測(cè)試結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 抽水流量為8 m3/h時(shí)的溫度變化情況

圖5 抽水流量為10 m3/h時(shí)的溫度變化情況

圖6 抽水流量為12 m3/h時(shí)的溫度變化情況

圖7 抽水流量為14 m3/h時(shí)的溫度變化情況

4種工況的換熱量為：

式中，Q為換熱量，kJ/h；V為抽水流量，m3/h；ρ為水密度，取 1.0×103 kg/m3；c為水定壓比熱容，取4.2 kJ/(kg·℃)；Δtw為抽回水溫差，℃。試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果

由圖4～圖7和表1可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，抽水、回水溫度，抽回水溫差基本保持不變。隨著抽水流量的增大，抽水、回水溫度上升，抽回水平均溫差減小，且抽回水溫差之間的差值減小，差值由工況1與工況2的0.4 ℃降至工況3與工況4的0.2℃。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礫石回填抽灌同井溫升減小，抽水流量增大又會(huì)使礫石回填抽灌同井溫升增大，但兩者的綜合效果是礫石回填抽灌同井抽水溫度上升，所以，抽水流量對(duì)礫石回填抽灌同井穩(wěn)定運(yùn)行的水溫影響更大。單位時(shí)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，換熱量上升了12%。因此，盲目增加抽水流量并不能獲得理想的換熱量，對(duì)于礫石回填抽灌同井地下水地源熱泵系統(tǒng)而言，抽水流量亦應(yīng)有一定的選擇與限制[5]。該工程可以通過抽水流量、水泵總功耗、地源熱泵側(cè)能效比(COP)3個(gè)因素綜合考慮，以此來確定最佳抽水流量。3個(gè)因素之間的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，抽水流量與水泵總功耗成正比，COP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(shí)水泵總功耗為4.5 kW，COP為5.5，換熱量約為25 kJ/h，相對(duì)于工況1，換熱量?jī)H增加7.3%。

圖8 3個(gè)因素關(guān)系圖

確定最佳抽水流量時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮水泵總功耗及COP。COP為7.25，能效比高，水泵總功耗為3.4 kW，換熱量為23.3 kJ/h，所以，抽水流量為8 m3/h時(shí)，其為最佳抽水流量。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(yùn)行。所以合理確定抽水流量，應(yīng)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[6]：

式中，ψ為熱貫通系數(shù)，即回水在抽水中所占的百分比；ΔTt=Tc-T0，ΔTt為平均熱貫通溫度量值，℃；T0為礫石回填抽灌同井初始溫度，℃；Tc為夏季取冷工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的抽水平均溫度，℃；ΔTl=Th-Tc，ΔT1為夏季取冷工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的抽回水平均溫差，℃；Th為夏季取冷工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的回水平均溫度，℃。

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，各組工況下的熱貫通系數(shù)如表2所示。

表2 各組工況下的熱貫通系數(shù)

熱貫通現(xiàn)象的嚴(yán)重程度主要由含水層結(jié)構(gòu)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時(shí)，熱貫通系數(shù)為32.3%，即抽水中約有1/3來自回水。若常年以此工況運(yùn)行，可能對(duì)礫石回填抽灌同井熱泵造成的影響增大，含水層溫度失衡，礫石回填抽灌同井地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率下降。當(dāng)以工況1(抽水流量為8 m3/h)條件運(yùn)行時(shí)，熱貫通系數(shù)僅為3.9%，且抽水平均溫度為17.9 ℃，接近礫石回填抽灌同井初始溫度，在該工況下能常年高效的運(yùn)行系統(tǒng)，而不會(huì)引起含水層溫度失衡的問題。因此，礫石回填抽灌同井地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大的熱貫通，該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程采用大抽回水溫差、小抽水流量的運(yùn)行方式更經(jīng)濟(jì)合適。

4 結(jié)論

抽水流量對(duì)礫石回填抽灌同井穩(wěn)定運(yùn)行的水溫影響更大。增大抽水流量會(huì)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(shí)，換熱量從23.3 kJ/h上升到26.1 kJ/h，換熱量提高12%。

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(chǎng)試驗(yàn)工程最佳抽水流量為8 m3/h，此時(shí)水泵總功耗為3.4 kW，COP為7.25，能效比高。

含水層結(jié)構(gòu)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(yán)重會(huì)使含水層溫度失衡，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程在最佳抽水流量(8 m3/h)情況下運(yùn)行時(shí)，熱貫通系數(shù)僅為3.9%，且抽水溫度接近礫石回填抽灌同井初始溫度。因此對(duì)于該工程而言，小抽水流量、大抽回水溫差的運(yùn)行方式更合理。

[1]李志浩. 全國(guó)暖通空調(diào)制冷2004年學(xué)術(shù)年會(huì)綜述[J]. 暖通空調(diào), 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]倪龍,馬最良. 熱負(fù)荷對(duì)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(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 量子電子學(xué)報(bào), 2005,22(5): 806－809

[5]倪龍, 馬最良. 熱負(fù)荷對(duì)同井回灌地下水源熱泵的影響[J].暖通空調(diào), 2005, 35 ( 3): 12－14

[6]倪龍. 同井回灌地下水源熱泵源匯井運(yùn)行特性研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2007.