单井循环换热地能采集井的计算模型(连载一)

2015/5/4 0 3096

恒有源科技发展集团(微信号:HYYESSTD)专注于浅层地能作为建筑物供热的替代能源的科研、开发和推广。致力于原创技术的产业化发展,实现为建筑物无燃烧供热,大力发展地能热冷一体化新兴产业。

    浅层地热能是一种新型可再生的能源,它来源于地球内部的热量和太阳辐射。浅层地热能广泛存在于岩石、土壤、水源等许多介质中,位于地表200米以内的恒温带内。它的开采是随着全球能源危机和环境问题的凸显而逐步发展起来的一项能源及环境保护技术,它的研究对于严重依赖化石能源经济快速发展的中国而言尤为重要。

    国内外许多学者及单位在浅层地热能的研究中进行了不懈努力并取得了丰硕成果。当前浅层地热能的主要利用方式有地表水源为热源的水源热泵和以地表岩石、土壤介质为热源的土壤源热泵两种。本文的研究对象是单井循环换热地能采集井,它是原创性的适用于多种地质条件的新型浅层地热能开发技术。这种单井循环浅层地热能开发方式结合了上述前两种传统地能采集方法的优势,实现了循环水在同一含水层的完全回灌,从而成功实现了单井循环浅层地热能的开发。该设备生产成本较低,无水体污染,检修方便,便于在有浅层地下水的地区推广,实现了真正的绿色能源利用。由于我国浅层地热能分布地域广泛、资源丰富,开展此项研究并大力开发这种单井循环浅层地热能对于保障能源安全、降低环境污染具有重要意义。

    本文完整建立单井循环换热地能采集井完整的概念模型和数学模型,对于深入理解其数学原理、水文地质及物理过程,高效开发利用这种单井循环浅层地热能具有重要意义。

一、单井循环换热地能采集井的物理概念模型和多孔介质特征

1.1物理概念模型

    本文的研究对象是单井循环换热地能采集井,它以循环水作为介质采集地下温度低于25℃的热能,实现了地下水的同层完全回灌。这种井不消耗也不污染地下水,因此对于地下水体质量是安全的。

    这种地能采集井分为有蓄能颗粒类型和无蓄能颗粒类型两种。以下以有蓄能颗粒型为例说明。

    有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井的物理过程为,循环水由绝热井壁内部抽水区的潜水泵抽出排走送入热泵机组经过放热或者吸热后,由热泵机组返回进入地能采集井上部的加压回水区内部。水流在绝热井壁与隔离膜之间有蓄能颗粒的环形空间内流动,大部分进入下部抽水区,一小部分透过孔壁的隔离从加压回水区通过渗透流到土壤介质中,最后从抽水区回流。地能采集井的所有回水透过绝热井壁下部的花管由潜水泵抽走送回热泵机组,见图-1。

1.2多孔介质特征

    单井循环换热地能采集井的多孔介质总共包括两种,一种是绝热井壁与隔离膜之间充满蓄热颗粒,其特点是有良好的蓄热性能。蓄热颗粒的蓄热系数很大,亦即热流波动的振幅与温度振幅的比值很大。另一种是隔离膜外侧的饱和土壤多孔介质,其作用是通过水与蓄能颗粒之间交换热量和水,亦即传热传质。可见单井循环换热地能采集井是含有两种多孔介质的对流传热传质的水热耦合体,水在其中发挥最重要作用。

二、单井循环换热地能采集井的数学模型

    单井循环地能采集井分为有蓄能颗粒采集井和无蓄能颗粒采集井两种类型。有蓄能颗粒采集井的数学模型中仅有多孔介质一种计算区域,无蓄能颗粒采集井则包括多孔介质和充水两种计算区域。其数学模型的选取较复杂,前者用考虑固体骨架的流体动力学模型即可,后者除此之外另增加湍流模型用以计算只充水的计算区域,当充满的水为层流状态时则湍流模型退化为层流模型计算。可见典型的单井循环换热地能采集井中存在三种流态的区域,即水介质中的紊流与层流两种流态和土壤(蓄能颗粒)中的层流流态。(作者:孙骥  李大秋)

选自_《中国地能》

 

 

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