恒有源科技發展集團（微信號：HYYESSTD）專注於淺層地能作為建(jian)築物供熱的替代能源的科研、開發和推廣。致(zhi)力(li)於原(yuan)創技術的產業化發展，實現為建(jian)築物無燃燒(shao)供熱，大力(li)發展地能熱冷一體化新興產業。
淺層地熱能是(shi)一種新型可(ke)再(zai)生的能源，它(ta)來(lai)源於地球(qiu)內部的熱量和太陽輻射。淺層地熱能廣泛(fan)存在於岩(yan)石(shi)、土壤、水源等(deng)許多介質(zhi)中，位於地表200米以內的恒溫帶內。它(ta)的開采是(shi)隨著全(quan)球(qiu)能源危(wei)機和環境問題(ti)的凸顯(xian)而(er)逐步(bu)發展起(qi)來(lai)的一項(xiang)能源及環境保護技術，它(ta)的研究對(dui)於嚴(yan)重(zhong)依賴(lai)化石(shi)能源經濟(ji)快速發展的中國而(er)言尤為重(zhong)要。
國內外許多學者及單(dan)位在淺層地熱能的研究中進行了不(bu)懈努(nu)力(li)並取得了豐碩(shuo)成果(guo)。當前淺層地熱能的主要利用方式有地表水源為熱源的水源熱泵和以地表岩(yan)石(shi)、土壤介質(zhi)為熱源的土壤源熱泵兩種。本文的研究對(dui)象是(shi)單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井，它(ta)是(shi)原(yuan)創性(xing)的適用於多種地質(zhi)條件的新型淺層地熱能開發技術。這種單(dan)井循(xun)環淺層地熱能開發方式結合了上述前兩種傳統地能采集方法(fa)的優(you)勢，實現了循(xun)環水在同一含水層的完(wan)全(quan)回(hui)灌(guan)，從而(er)成功(gong)實現了單(dan)井循(xun)環淺層地熱能的開發。該設備生產成本較低(di)，無水體汙染，檢修方便，便於在有淺層地下水的地區推廣，實現了真正的綠色能源利用。由於我國淺層地熱能分布地域(yu)廣泛(fan)、資源豐富，開展此項(xiang)研究並大力(li)開發這種單(dan)井循(xun)環淺層地熱能對(dui)於保障能源安全(quan)、降低(di)環境汙染具有重(zhong)要意義。
本文完(wan)整建(jian)立單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井完(wan)整的概念(nian)模型和數學模型，對(dui)於深入理解其數學原(yuan)理、水文地質(zhi)及物理過程，高效(xiao)開發利用這種單(dan)井循(xun)環淺層地熱能具有重(zhong)要意義。
一、單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井的物理概念(nian)模型和多孔介質(zhi)特征
1.1物理概念(nian)模型
本文的研究對(dui)象是(shi)單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井，它(ta)以循(xun)環水作為介質(zhi)采集地下溫度(du)低(di)於25℃的熱能，實現了地下水的同層完(wan)全(quan)回(hui)灌(guan)。這種井不(bu)消(xiao)耗也(ye)不(bu)汙染地下水，因此對(dui)於地下水體質(zhi)量是(shi)安全(quan)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(shuo)明。
有蓄能顆粒的單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井的物理過程為，循(xun)環水由絕(jue)熱井壁內部抽水區的潛水泵抽出排(pai)走送入熱泵機組(zu)經過放(fang)熱或者吸熱後(hou)，由熱泵機組(zu)返(fan)回(hui)進入地能采集井上部的加壓回(hui)水區內部。水流在絕(jue)熱井壁與隔離(li)膜(mo)之間(jian)有蓄能顆粒的環形空(kong)間(jian)內流動，大部分進入下部抽水區，一小部分透(tou)過孔壁的隔離(li)從加壓回(hui)水區通過滲透(tou)流到土壤介質(zhi)中，最後(hou)從抽水區回(hui)流。地能采集井的所有回(hui)水透(tou)過絕(jue)熱井壁下部的花管由潛水泵抽走送回(hui)熱泵機組(zu)，見圖-1。
1.2多孔介質(zhi)特征
單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井的多孔介質(zhi)總共包括(kuo)兩種，一種是(shi)絕(jue)熱井壁與隔離(li)膜(mo)之間(jian)充滿蓄熱顆粒，其特點(dian)是(shi)有良好的蓄熱性(xing)能。蓄熱顆粒的蓄熱係數很大，亦(yi)即(ji)熱流波動的振幅(fu)與溫度(du)振幅(fu)的比(bi)值很大。另一種是(shi)隔離(li)膜(mo)外側的飽和土壤多孔介質(zhi)，其作用是(shi)通過水與蓄能顆粒之間(jian)交換(huan)熱量和水，亦(yi)即(ji)傳熱傳質(zhi)。可(ke)見單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井是(shi)含有兩種多孔介質(zhi)的對(dui)流傳熱傳質(zhi)的水熱耦合體，水在其中發揮(hui)最重(zhong)要作用。
二、單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井的數學模型
單(dan)井循(xun)環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學模型中僅有多孔介質(zhi)一種計算區域(yu),無蓄能顆粒采集井則包括(kuo)多孔介質(zhi)和充水兩種計算區域(yu)。其數學模型的選取較複(fu)雜，前者用考慮固(gu)體骨架的流體動力(li)學模型即(ji)可(ke),後(hou)者除此之外另增加湍(tuan)流模型用以計算隻充水的計算區域(yu)，當充滿的水為層流狀態時則湍(tuan)流模型退化為層流模型計算。可(ke)見典(dian)型的單(dan)井循(xun)環換(huan)熱地能采集井中存在三種流態的區域(yu)，即(ji)水介質(zhi)中的紊(wen)流與層流兩種流態和土壤（蓄能顆粒）中的層流流態。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
