热泵供能系统中地源井技术研究综述

李 谊 洪顺军 张 恒 文 敏

(中节能先导城市节能有限公司，湖南 长沙 410208)



热泵供能系统中地源井技术研究综述

李 谊 洪顺军 张 恒 文 敏

(中节能先导城市节能有限公司，湖南 长沙 410208)

以地源井为研究对象，从设计、布置、换热以及试验四方面，对地源井的相关研究文献进行了综述，并探讨了地源井技术，对热泵供能系统的优化及应用具有重要意义。

热泵供能系统，地源井，井群布置，换热特性

20世纪30年代，国外开始研究及应用热泵供能技术，国内针对该项技术的研究时间稍晚。随着我国《地热能开发利用“十三五”规划》的出台，浅层地热能利用技术的研究及应用将会不断深入，热泵技术的应用前景十分可观。浅层地热能作为一种新型绿色能源，其分布十分广泛，在我国节能环保形势十分严峻的今天，浅层地热能的利用将会被重视，热泵技术将会被不断优化及应用[1,2]。地源井作为热泵供能系统中的重要组成部分，其稳定性直接关系着整个热泵供能系统能否正常运行[3,4]。很多研究人员针对地源井的设计、布置、换热以及试验等四个方面开展了大量的研究工作。本文在对国内热泵供能系统地源井相关研究文献进行总结的前提下，对地源井的设计、布置、换热以及试验等四个方面进行了综述分析。

1 地源井设计分析

地源井的设计对热泵供能系统至关重要，国内研究人员针对地源井设计这一问题开展了很多研究。倪龙等[5]基于含水层储能、暖通空调、水文地质等有关领域知识，根据已经被广泛采用的地源井设计方法，提出了一套简化的涵盖热力学设计以及地下水动力学的地源井设计方法，其中设计内容包含了回灌井、抽水井的井间距、井数、井径、过滤网以及井流量等，并以某市一住宅为例进行了设计。陆观立[6]围绕地源热泵系统存在的井群设计不合理、地源井堵塞等问题，对地源井设计、布置、水处理、成井工艺等开展了研究。李程瑶[7]以沈阳市某建筑为例，在计算建筑负荷的基础上，根据沈阳市水文地质条件设计了地源井，并对水泵进行了选型。

地源井的设计会影响后续的施工，设计与施工之间关系紧密，很多研究人员针对地源井设计与施工等问题开展了研究，比如罗新梅等[8]结合地下水源热泵存在的成井问题以及应用情况，分别从回灌方法、成井工艺及管井设计计算等三个方面，分析了提高成井质量的措施，并强调采用合理的回灌方式、提高成井质量及做好水文地质勘探有助于避免地下水污染和地面沉降。沈阳市城乡建设委员会办公室[9]专门针对地下水水源热泵地源井的设计出台了规定，其中就涵盖了地源井设计、施工、标准等内容，这对地源井的应用提供了指导。陈阳等[10]提出了地源井设计方法以及井群布置、井间距、井数、井结构对地源热泵系统产生的影响，并分析了地源井施工过程中填砂、封井、洗井以及潜水泵选型等的重要性，在此基础上提出了地源井设计、施工过程中的关键技术问题以及二者之间的相互影响问题。

2 地源井布置研究

2.1 模型研究

随着数值模拟方法被广泛应用，其优越性逐渐被证明，在地源井布置问题研究方面，也有部分研究人员采用了数值分析方法，完善了地源井布置问题分析方法，使得研究成果更加严谨、科学。

孙雨[11]运用有效应力原理、热传递理论以及渗流理论，分析了地源热泵应力场、热力场与渗流场的耦合机理，并建立了三场耦合模型，采用模拟软件对地源热泵系统中单井运行过程中灌水量、抽水量、渗流速度对三场的耦合变化规律；并通过模拟两灌、两抽、一抽一灌等三种模式下不同井间距三场耦合特征，得到了不同布置状态下抽灌水井间距的合理范围。于林弘[12]通过地下水传热方程与水流方程进行假设，简单分析了试验区水热运移特性，构建了地下水、热运移耦合模型，采用模拟软件分析了三种抽灌模式下不同井间距地源井布置方案，结果表明，随着抽灌井井间距的增大，热贯通现象对抽水井温度的影响逐渐减弱。

2.2 布井合理性与可行性研究

在地源井布置的合理性及可行性方面，相关研究也有涉及。潘俊等[13]围绕场地条件、周边环境、建筑物负荷条件以及水文地质条件建立了地下水源热泵地源井布置合理性评价方法、评价标准以及评价体系，该评价方法实用、简单，给审核部门、工程技术人员提供了技术依据；此外，该评价体系中地下水温度、地下水位埋深、含水层渗透系数等取值可以根据项目具体情况调整，具有一定的适用性。张德祯等[14]就地源井布设可行性进行了分析，指出水文地质勘探以及提高成井质量的重要程度，并提出了安全回灌量、安全出水量的概念，构建了有效的地下水源热泵抽水、回灌之间的可行性。

3 地源井换热问题分析

地源井换热特性直接关系着整个供能系统的运行效果，影响地源井换热特性的因素很多，有地质因素、地埋管深度、地埋管材质等。

倪龙等[15]根据能量守恒原理构建了含水层—井孔—单井井管耦合传热模型，根据试验结果对模型进行了验证，并分析了循环单井的换热特性，研究结果表明：在采暖季，循环单井抽水温度会出现剧烈变化，达到了7 ℃，循环单井对含水层产生的热影响较小。张丹[16]采用Fluent软件对地源井换热器与周围土壤之间的换热过程进行了分析，该模型不仅考虑了地埋管与土壤之间的换热，还考虑了地埋管内部流体进出口温度的变化情况，基于单井模型构建了井群模型，获得了井群中各地源井换热量的修正系数。

谭志文[17]采用Fluent软件构建了典型井群与单井换热器的三维非稳态模型，研究了不同井间距、入口温度、入口流速、井群运行方式、土壤初始温度、地下水渗流、回填土导热系数、岩土导温系数对井群中各地源井换热量当量值产生的影响，并通过试验验证了模拟结果的一致性。倪龙等[18]根据能量守恒原理构建了含水层、井孔、循环单井井管间的耦合传热模型，控制方程包含了井孔壁与井管壁的换热，模拟了循环单井的试验情况，结果显示模型的输出对热弥散度和含水层渗透系数最为敏感，特别是热弥散度，热弥散度对模型输出影响巨大。

4 地源井试验研究

地源井的应用效果一般可以通过试验得到验证，在研究地源井效果的过程中，一般会通过试验对其进行分析，再根据试验结果优化地源井设计、布置等，以提高地源井的寿命、质量等。

宋伟等[19]以循环单井地下水源热泵系统为例，建立了物理模拟沙箱试验平台，对地源井换热规律进行了研究，研究结果表明循环单井承担负荷的能力最弱，且抽水流量对循环单井的影响更大，增大抽水流量有助于增大地源井的取热量，继而提供地源井对负荷的承担能力。向瑾等[20]对杨凌五湖路地区5口地源井抽水、回灌、水质情况进行了试验分析，结果表明当单井抽水量在80 m3/h～100 m3/h时，抽水和回灌井的比例按1∶2设置为最佳。宋伟等[21]通过搭建试验平台对地源井抽回间距变化进行了试验研究，研究结果表明增加抽回井间距可以改善热源井抽水温度，在设计时当现场条件允许时可以尽可能增大抽回井间距。

潘俊等[22]以沈阳市第一城项目为例，对复合井结构中的同井回灌模式进行了现场试验，将结果作了对比性分析，结果表明复合井的结构不同，回灌量与抽水量也不相同。周静[23]通过构建土壤源热泵的多换热井试验平台，对单井、多井情况进行了蓄热实验，采用叠加原理，构建了多井换热模型，将试验结果与模拟结果作了对比分析，验证了模型的可靠性，并对土壤温度恢复速度、不同运行模式、不同影响因素作了模拟分析，研究结果表明井间距越大，热流强度越小，井间的热影响程度越小。

5 结语

随着经济社会的快速发展，环境问题越发突出，节能环保形势越发严峻，我国相继出台了多项政策鼓励利用清洁能源、可再生能源，地下水源热泵、土壤源热泵作为节能技术，采用清洁能源为用户供能，应用前景较好。作为热泵供能系统的重要组成部分之一——地源井技术至关重要，集中在地源井的设计、布置以及换热等方面，可以通过试验进行验证。未来，地源井技术的研究及应用将会影响着热泵供能系统的应用，其将成为重点研究课题之一。

[1] 卢予北,陈 莹.单井抽回两用系统在浅层地热能开发中的应用[J].水电能源科学,2011,29(5):120-122.

[2] 武 强,孙海洲,徐生恒,等.多流场耦合的单井循环换热地能采集井物理场分析[J].太阳能学报,2015,36(12):3015-3022.

[3] 张晓明.安阳市某小区地下水源热泵工程热源井成井工艺和洗井方法的介绍及探讨[A].供热工程建设与高效运行研讨会[C].2016.

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[6] 陆观立.地下水源热泵系统热源井设计研究[J].能源与环境,2016(4):103-105.

[7] 李程瑶.地下水源热泵地源井的水泵节能优化分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

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[16] 张 丹.U型地埋管换热器的井群换热研究[D].成都：西南交通大学,2007.

[17] 谭志文.双U型地埋管井群换热数值研究[D].长沙：中南大学,2013.

[18] 倪 龙,姜益强,姚 杨,等.循环单井井管—井孔—含水层传热模型[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(11):1228-1233.

[19] 宋 伟,倪 龙,姚 杨.不同负荷单井循环地下水源热泵系统实验[J].哈尔滨工业大学学报,2014,46(8):51-56.

[20] 向 瑾,曹 伟,熊应兴.地下水源热泵系统水井试验研究[J].建筑科学,2009,25(10):53-56.

[21] 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):205-211.

[22] 潘 俊,韩春阳,焦 龙,等.复合井在地下水源热泵工程中应用的试验研究[J].工程勘察,2012(4):34-37.

[23] 周 静.土壤源热泵多换热井特性实验与系统模拟研究[D].北京：北京建筑大学,2015.

Review of ground source wells study on the heat pump energy supply system

Li Yi Hong Shunjun Zhang Heng Wen Min

(Cecep&CpihCityEnergyConservationCo.,Ltd,Changsha410208,China)

Taking the ground source well as an example, the related research literatures are reviewed from four aspects: design, arrangement, heat transfer and experiment. It is very important to study the source well technology and optimize the design and application of heat pump energy supply system.

heat pump energy supply system, ground source well, well group layout, heat transfer characteristics

1009-6825(2017)15-0106-02

2017-03-17

李 谊(1975- )，男，工程师

TU833

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