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接上

2.2有蓄能颗粒换热井含水层物理场分析

    取水的粘度值分别为0.00120Pa·S和0.00125Pa·S得到含水层温度场等值线、水平和竖直方向水流速度等值线图相同，见图2。由此可知有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集系统的温度场受水的粘度变化的影响不大。

    含水层温度水平径向以地能采集井为中心呈轴对称分布，含水层距地能井水平径向距离越远温度越高，温度大小逐渐趋于含水层的初始温度值。含水层温度在0-15米深度范围随深度增加逐渐降低，15-110米深度范围随深度增加增加，见图2(a)。

图 2 有蓄能颗粒的同井回灌水源热泵温度、速度等值线图

    含水层水的水平径向流速以地能采集井为中心呈轴对称分布，在0-58米深度范围内水流速度为正值，表示水从井中渗流进入土壤含水层。在58-110米深度范围内水流速度为负值，表示水从井中渗流进入土壤含水层。水的竖直方向流速以地能采集井为中心呈轴对称分布，负值表示流速向下，正值表示流速向上，含水层大部分为负值，即从上部回水段流向下部抽水管段，见图2(b)-（c）。

    水的粘度取0.00120Pa·S和0.00125Pa·S两个不同值模拟得到的含水层水头等值线图，本文中采用相对水头值，即把系统为运行前含水层的静止水头值为0，系统运行时的水头表示相对于运行前总压头的相对值。从图3可以看出水平径向水头以地能采集井为轴呈对称分布，在深度0-30米地能采集井附近水头为正值，其余部分为负值，主要由于回水段水压较高，流速较大，抽水段呈负压，水在渗流循环时产生的水头损失使然。

2.3无蓄能颗粒换热井含水层物理场分析

    通过模拟计算得出无蓄能颗粒的单井循环换热地能采集系统在水的粘度为不同值时的物理场，结果包括温度场等值线、水流速度等值线图。温度分布的对称特征与2.2中有蓄能颗粒情况相同。但温度场分布受水的粘度影响较大，图4（a）中粘度为0.00120Pa·S时287.8K等温线水平距离井轴17米，图4（b）中粘度为0.00125Pa·S时287.8K等温线水平距离井轴20米。 

图 3 有蓄能颗粒同井回灌水源热泵水头等值线图 ( 单位 :Pa)

    再如图4（a）中281.4K等温线沿深度方向达到37米，而图（b）中沿深度达到40米。由此可见无蓄能颗粒的地能采集井温度场受粘度变化的影响较大。由此可见通过实验结合数值模拟可得到准确结果。

图 4 无蓄能颗粒同井回灌水源热泵温度等值线图 ( 单位 :K)

    如图5所示，从图中可以看出（a）、（b）两图速度场水平径向都以井轴为中心呈对称分布，粘度系数μ分别为0.00120Pa·S和0.00120Pa·S时竖直方向水流速度图（a）、（b）有差别，且图（b）平均速度比图（b）大些。由此可见，水的粘度系数变化时对单井循环换热地能采集井的水流速度场有一定影响。水的粘度不同时水平径向水流速度及水头等值线图也发生变化不再赘述。

图 5 无蓄能颗粒同井回灌水源热泵流速等值线图 ( 单 :m/s)

2.4总结

    根据以上结果可知，水的粘度变化对同井回灌水源热泵物理场影响如下：抽回水井中充满蓄能颗粒时，含水层的温度场、水流速度场几乎不变，含水层的水头分布有一定变化。

    抽回水井中无蓄能颗粒时，含水层的温度场、水流速度场、水头场都有一定变化。由于存在井中水的自由流动区和土壤中的渗流区，使得无蓄能颗粒换热井的物理场随水的粘度变化情况更为复杂。

    充满蓄能颗粒的换热井的水头损失比无蓄能颗粒时要大。水的粘度系数变化对同井回灌水源热泵的物理场产生一系列复杂影响。

3结论与建议

    (1)单井循环换热地能采集井作为一种有应用前景的绿色能源开发方式，对其进行准确的定量分析尚少。本文对有蓄能颗粒和无蓄能颗粒两种情况下水的粘度对物理场的影响进行了详细分析，其结果对于今后分析水源热泵及同井回灌热泵都具有一般意义。

    (2)含水层中水的粘度发生变化时无蓄能颗粒比有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井物理场带来的变化更复杂一些，这需要对无蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井进行更广泛的研究。

    (3)水的粘度系数可以根据经验公式取得，也可以取算术平均值或某一定值。水的粘度系数取值要在准确确定地下水中胶体数量和种类，水的温度的变化规律，含水层中混入的油质液体情况等因素基础上综合确定。

    (4)同井回灌水源热泵的物理场分布不仅受水的粘度系数影响，其他参数如水文地质参数、热物性参数及井的几何结构、地层结构等也对其物理场和换热效率具有重要影响。

源自_《中国地能》杂志