恒有源科技發(fā)展集團（微信號：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)。
三、單井循環(huán)換熱地能采集井的計算模型與參數(shù)設(shè)置
3.1計算模型的假設(shè)條件
單井循環(huán)地能采集井在進行模擬計算之前主要做了以下合理假設(shè)：
（1）土壤的固體骨架和流體之間瞬間完成了換熱過程。
（2）土壤的固體骨架和流體皆為均質(zhì)、各向同性或各向異性的連續(xù)介質(zhì)。
（3）充滿的流體介質(zhì)是不可壓縮的水，水按紊流條件設(shè)置。當(dāng)水的雷諾數(shù)達到層流條件時流動模式退化為層流。
（4）水在無蓄能顆粒計算區(qū)域與有蓄能顆粒計算區(qū)域相交界面處為層流狀態(tài)。
（5）慣性力只有方向向下的重力加速度。
（6）在動量方程中把多孔介質(zhì)作為計算域的一個源項計算來簡化流體及傳熱的編程計算。
（7）模擬計算時采用的是流體的表觀速度，而非流體在固體骨架孔道中的實際速度，這樣可方便計算。
（8）模擬計算時不考慮計算域上界太陽輻射、與大氣熱交換等熱力過程可方便計算，更有利于反映問題的物理本質(zhì)。
計算模型的假設(shè)條件在實際工程中結(jié)合具體情況需要做出調(diào)整，經(jīng)過科學(xué)假設(shè)反復(fù)論證后方可確定。
3.2數(shù)值計算方法
淺層地?zé)崮芾玫难芯糠椒ㄖ饕鞋F(xiàn)場試驗方法、熱儲量估計法、解析方法、數(shù)值模擬方法，上述方法的組合等。其中數(shù)值模擬方法包括有限單元法、有限體積法、邊界元法、混合元法等，有關(guān)內(nèi)容可參閱相關(guān)資料，在此不再贅述。
在計算流體力學(xué)領(lǐng)域廣泛采用的是有限體積法，它是將計算區(qū)域劃分為許多控制體積，然后把偏微分方程對每個控制體積進行積分得出離散方程。有限體積法的關(guān)鍵問題是在離散過程被求函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的分布做出假定，求得的離散方程的系數(shù)物理意義明確且具有守恒性，該方法由于計算量較小使得計算效率較高。
近年來隨著數(shù)值傳熱學(xué)及計算流體力學(xué)的迅猛發(fā)展，許多相關(guān)的專業(yè)軟件已被開發(fā)應(yīng)用，可以采用CFX，F(xiàn)LUENT，STAR2CD,ANSYS軟件。當(dāng)計算區(qū)域內(nèi)部為均質(zhì)、各項同性介質(zhì)時也可以采用MATLAB軟件求解上述偏微分方程組，并能繪制出與結(jié)算結(jié)果對應(yīng)的圖形。
3.3物理模型
以有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井為例說明概化的物理模型。設(shè)研究區(qū)直徑為100米，深度為50米的三維圓柱形徑向?qū)ΨQ區(qū)域，單井循環(huán)地能采集井位于幾何中心的上部，井深20米，見圖-2。地能采集井的進口流量分別為50kg/s和80kg/s，進水溫度分別為30K，290K。土壤溫度及土壤外邊界按恒溫為計，隔離膜和絕熱內(nèi)壁之間的圓環(huán)狀腔體中充滿蓄熱顆粒及水，隔離膜外是土壤介質(zhì)，另有進水口、潛水泵抽吸水口，地能采集井內(nèi)壁為絕熱邊界條件。
3.4幾何模型
以圖-2的區(qū)域為例說明幾何模型的建立，本例采用合適的軟件建立研究區(qū)空間模型后，再采用網(wǎng)格劃分軟件將研究區(qū)域生成一定數(shù)量的矩形單元網(wǎng)格，外邊界的每條邊為一個面，每個交叉點為單元的節(jié)點。其中靠近地能采集井的區(qū)域劃分網(wǎng)格時密度較大，以滿足計算結(jié)果的精度要求。當(dāng)計算區(qū)域是三維時，其幾何模型通常情況下則需劃分為三維網(wǎng)格。
四、結(jié)論與建議
a.本文主要給出了有蓄能顆粒和無蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的物理及水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，為定量計算奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
b.由于單井循環(huán)換熱地能采集井的傳熱傳質(zhì)過程復(fù)雜性，進行溫度計算時需采用數(shù)值模擬的方法。準確模擬、預(yù)測土壤及出水介質(zhì)的溫度值對于淺層地?zé)崮荛_發(fā)的理論研究及生產(chǎn)實踐具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值，相比模型試驗及現(xiàn)場試驗可節(jié)約大量資金且耗費時間周期短。
c.本文給出了理想的單井循環(huán)換熱地能采集井的數(shù)學(xué)方程、數(shù)值計算方法、計算模型、幾何模型、包括常量和變量在內(nèi)的各參數(shù)賦值方法等的完整過程，把水文地質(zhì)過程、水動力過程、傳熱傳質(zhì)過程統(tǒng)一在一個數(shù)學(xué)模型中更便于進行研究。在實際研究生產(chǎn)過程中結(jié)合觀測資料和微分方程參數(shù)反演,通過模型識別得到反應(yīng)實際狀況的數(shù)學(xué)模型，按照上述方法即可模擬計算并求解以供生產(chǎn)研究使用。
d.通過給數(shù)值模型中的各參數(shù)賦予不同數(shù)值從而得到不同的結(jié)果，由此分析不同水文地質(zhì)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、水動力參數(shù)對單井循環(huán)換熱地能采集井的影響，這為地能采集井設(shè)計中的參數(shù)選擇提供了主要依據(jù)。
e.通過基于單井循環(huán)淺層地?zé)崮荛_發(fā)的數(shù)值模擬與分析，有利于深化對它的科學(xué)認識。
f.單井循環(huán)淺層地?zé)崮荛_發(fā)數(shù)值模擬的科學(xué)進行也有賴于對流動與換熱過程中有關(guān)強迫對流、自然對流、熱傳導(dǎo)、熱彌散理論的進一步發(fā)展。流體力學(xué)與傳熱學(xué)中各種湍流模式發(fā)展促進熱能學(xué)科的發(fā)展就是一個有力的證明。
g.單井循環(huán)換熱地能采集井技術(shù)已在包括中國國家大劇院在內(nèi)的國內(nèi)外許多重要工程中得到應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。通過對其進行數(shù)值模擬分析可以更有效的利用這種綠色能源來造福人類社會，為人口-資源-環(huán)境的可持續(xù)利用與發(fā)展提供有力的支持。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
