恒有源科技發(fā)展集團(tuán)（微信號(hào)：HYYESSTD）專注于淺層地能作為建筑物供熱的替代能源的科研、開發(fā)和推廣。致力于原創(chuàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)為建筑物無燃燒供熱，大力發(fā)展地能熱冷一體化新興產(chǎn)業(yè)。
淺層地?zé)崮苁且环N新型可再生的能源，它來源于地球內(nèi)部的熱量和太陽輻射。淺層地?zé)崮軓V泛存在于巖石、土壤、水源等許多介質(zhì)中，位于地表200米以內(nèi)的恒溫帶內(nèi)。它的開采是隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境問題的凸顯而逐步發(fā)展起來的一項(xiàng)能源及環(huán)境保護(hù)技術(shù)，它的研究對(duì)于嚴(yán)重依賴化石能源經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的中國(guó)而言尤為重要。
國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者及單位在淺層地?zé)崮艿难芯恐羞M(jìn)行了不懈努力并取得了豐碩成果。當(dāng)前淺層地?zé)崮艿闹饕梅绞接械乇硭礊闊嵩吹乃礋岜煤鸵缘乇韼r石、土壤介質(zhì)為熱源的土壤源熱泵兩種。本文的研究對(duì)象是單井循環(huán)換熱地能采集井，它是原創(chuàng)性的適用于多種地質(zhì)條件的新型淺層地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)。這種單井循環(huán)淺層地?zé)崮荛_發(fā)方式結(jié)合了上述前兩種傳統(tǒng)地能采集方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水在同一含水層的完全回灌，從而成功實(shí)現(xiàn)了單井循環(huán)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)。該設(shè)備生產(chǎn)成本較低，無水體污染，檢修方便，便于在有淺層地下水的地區(qū)推廣，實(shí)現(xiàn)了真正的綠色能源利用。由于我國(guó)淺層地?zé)崮芊植嫉赜驈V泛、資源豐富，開展此項(xiàng)研究并大力開發(fā)這種單井循環(huán)淺層地?zé)崮軐?duì)于保障能源安全、降低環(huán)境污染具有重要意義。
本文完整建立單井循環(huán)換熱地能采集井完整的概念模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)于深入理解其數(shù)學(xué)原理、水文地質(zhì)及物理過程，高效開發(fā)利用這種單井循環(huán)淺層地?zé)崮芫哂兄匾饬x。
一、單井循環(huán)換熱地能采集井的物理概念模型和多孔介質(zhì)特征
1.1物理概念模型
本文的研究對(duì)象是單井循環(huán)換熱地能采集井，它以循環(huán)水作為介質(zhì)采集地下溫度低于25℃的熱能，實(shí)現(xiàn)了地下水的同層完全回灌。這種井不消耗也不污染地下水，因此對(duì)于地下水體質(zhì)量是安全的。
這種地能采集井分為有蓄能顆粒類型和無蓄能顆粒類型兩種。以下以有蓄能顆粒型為例說明。
有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的物理過程為，循環(huán)水由絕熱井壁內(nèi)部抽水區(qū)的潛水泵抽出排走送入熱泵機(jī)組經(jīng)過放熱或者吸熱后，由熱泵機(jī)組返回進(jìn)入地能采集井上部的加壓回水區(qū)內(nèi)部。水流在絕熱井壁與隔離膜之間有蓄能顆粒的環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)，大部分進(jìn)入下部抽水區(qū)，一小部分透過孔壁的隔離從加壓回水區(qū)通過滲透流到土壤介質(zhì)中，最后從抽水區(qū)回流。地能采集井的所有回水透過絕熱井壁下部的花管由潛水泵抽走送回?zé)岜脵C(jī)組，見圖-1。
1.2多孔介質(zhì)特征
單井循環(huán)換熱地能采集井的多孔介質(zhì)總共包括兩種，一種是絕熱井壁與隔離膜之間充滿蓄熱顆粒，其特點(diǎn)是有良好的蓄熱性能。蓄熱顆粒的蓄熱系數(shù)很大，亦即熱流波動(dòng)的振幅與溫度振幅的比值很大。另一種是隔離膜外側(cè)的飽和土壤多孔介質(zhì)，其作用是通過水與蓄能顆粒之間交換熱量和水，亦即傳熱傳質(zhì)?？梢妴尉h(huán)換熱地能采集井是含有兩種多孔介質(zhì)的對(duì)流傳熱傳質(zhì)的水熱耦合體，水在其中發(fā)揮最重要作用。
二、單井循環(huán)換熱地能采集井的數(shù)學(xué)模型
單井循環(huán)地能采集井分為有蓄能顆粒采集井和無蓄能顆粒采集井兩種類型。有蓄能顆粒采集井的數(shù)學(xué)模型中僅有多孔介質(zhì)一種計(jì)算區(qū)域,無蓄能顆粒采集井則包括多孔介質(zhì)和充水兩種計(jì)算區(qū)域。其數(shù)學(xué)模型的選取較復(fù)雜，前者用考慮固體骨架的流體動(dòng)力學(xué)模型即可,后者除此之外另增加湍流模型用以計(jì)算只充水的計(jì)算區(qū)域，當(dāng)充滿的水為層流狀態(tài)時(shí)則湍流模型退化為層流模型計(jì)算?？梢姷湫偷膯尉h(huán)換熱地能采集井中存在三種流態(tài)的區(qū)域，即水介質(zhì)中的紊流與層流兩種流態(tài)和土壤（蓄能顆粒）中的層流流態(tài)。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國(guó)地能》
