恒有源科技發展集團（微信號：HYYESSTD）專注於淺層(ceng)地能作為建築(zhu)物供(gong)熱的替代能源的科研、開發和推廣。致力於原創技術的產業化發展，實現為建築(zhu)物無(wu)燃燒供(gong)熱，大力發展地能熱冷(ling)一體化新興(xing)產業。
三、單井循環換(huan)熱地能采集井的計算模型與參數設置(zhi)
3.1計算模型的假設條件
單井循環地能采集井在進行模擬計算之前主要做了以下合理假設：
（1）土壤的固(gu)體骨架(jia)和流體之間(jian)瞬(shun)間(jian)完成了換(huan)熱過程。
（2）土壤的固(gu)體骨架(jia)和流體皆為均質(zhi)、各(ge)向同性或各(ge)向異性的連續(xu)介質(zhi)。
（3）充滿的流體介質(zhi)是不可壓縮的水，水按紊流條件設置(zhi)。當水的雷諾數達到(dao)層(ceng)流條件時流動模式退化為層(ceng)流。
（4）水在無(wu)蓄(xu)能顆(ke)粒計算區域與有蓄(xu)能顆(ke)粒計算區域相交界麵處(chu)為層(ceng)流狀(zhuang)態。
（5）慣(guan)性力隻有方向向下的重力加(jia)速(su)度。
（6）在動量方程中把多孔介質(zhi)作為計算域的一個(ge)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(biao)觀速(su)度，而(er)非流體在固(gu)體骨架(jia)孔道(dao)中的實際速(su)度，這樣可方便(bian)計算。
（8）模擬計算時不考慮(lv)計算域上界太陽(yang)輻(fu)射(she)、與大氣熱交換(huan)等熱力過程可方便(bian)計算，更有利於反映問(wen)題的物理本(ben)質(zhi)。
計算模型的假設條件在實際工程中結合具(ju)體情況需要做出調整，經過科學假設反複論證後方可確定。
3.2數值計算方法
淺層(ceng)地熱能利用的研究方法主要有現場試驗(yan)方法、熱儲量估計法、解析方法、數值模擬方法，上述方法的組合等。其中數值模擬方法包括(kuo)有限單元法、有限體積法、邊界元法、混合元法等，有關內容可參閱(yue)相關資料，在此(ci)不再(zai)贅述。
在計算流體力學領(ling)域廣泛(fan)采用的是有限體積法，它是將(jiang)計算區域劃分為許(xu)多控製體積，然後把偏微分方程對每個(ge)控製體積進行積分得出離(li)散(san)方程。有限體積法的關鍵問(wen)題是在離(li)散(san)過程被(bei)求(qiu)函數及其導數的分布做出假定，求(qiu)得的離(li)散(san)方程的係數物理意義明確且具(ju)有守恒性，該方法由於計算量較(jiao)小使(shi)得計算效率較(jiao)高。
近年來隨著數值傳熱學及計算流體力學的迅(xun)猛(meng)發展，許(xu)多相關的專業軟件已(yi)被(bei)開發應用，可以采用CFX，FLUENT，STAR2CD,ANSYS軟件。當計算區域內部為均質(zhi)、各(ge)項同性介質(zhi)時也(ye)可以采用MATLAB軟件求(qiu)解上述偏微分方程組，並能繪(hui)製出與結算結果(guo)對應的圖形。
3.3物理模型
以有蓄(xu)能顆(ke)粒的單井循環換(huan)熱地能采集井為例說(shuo)明概化的物理模型。設研究區直徑(jing)為100米，深度為50米的三維圓(yuan)柱形徑(jing)向對稱(chen)區域，單井循環地能采集井位(wei)於幾何中心的上部，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(wen)度分別為30K，290K。土壤溫(wen)度及土壤外(wai)邊界按恒溫(wen)為計，隔離(li)膜和絕熱內壁之間(jian)的圓(yuan)環狀(zhuang)腔體中充滿蓄(xu)熱顆(ke)粒及水，隔離(li)膜外(wai)是土壤介質(zhi)，另有進水口、潛(qian)水泵(beng)抽吸水口，地能采集井內壁為絕熱邊界條件。
3.4幾何模型
以圖-2的區域為例說(shuo)明幾何模型的建立，本(ben)例采用合適的軟件建立研究區空(kong)間(jian)模型後，再(zai)采用網(wang)格劃分軟件將(jiang)研究區域生成一定數量的矩形單元網(wang)格，外(wai)邊界的每條邊為一個(ge)麵，每個(ge)交叉點為單元的節(jie)點。其中靠近地能采集井的區域劃分網(wang)格時密度較(jiao)大，以滿足計算結果(guo)的精度要求(qiu)。當計算區域是三維時，其幾何模型通(tong)常情況下則需劃分為三維網(wang)格。
四、結論與建議
a.本(ben)文主要給(gei)出了有蓄(xu)能顆(ke)粒和無(wu)蓄(xu)能顆(ke)粒的單井循環換(huan)熱地能采集井的物理及水文地質(zhi)模型和數學模型，為定量計算奠定了堅(jian)實的理論基礎。
b.由於單井循環換(huan)熱地能采集井的傳熱傳質(zhi)過程複雜性，進行溫(wen)度計算時需采用數值模擬的方法。準確模擬、預(yu)測土壤及出水介質(zhi)的溫(wen)度值對於淺層(ceng)地熱能開發的理論研究及生產實踐具(ju)有重要的指導意義和參考價值，相比模型試驗(yan)及現場試驗(yan)可節(jie)約大量資金且耗費(fei)時間(jian)周(zhou)期短。
c.本(ben)文給(gei)出了理想的單井循環換(huan)熱地能采集井的數學方程、數值計算方法、計算模型、幾何模型、包括(kuo)常量和變量在內的各(ge)參數賦值方法等的完整過程，把水文地質(zhi)過程、水動力過程、傳熱傳質(zhi)過程統(tong)一在一個(ge)數學模型中更便(bian)於進行研究。在實際研究生產過程中結合觀測資料和微分方程參數反演,通(tong)過模型識別得到(dao)反應實際狀(zhuang)況的數學模型，按照上述方法即可模擬計算並求(qiu)解以供(gong)生產研究使(shi)用。
d.通(tong)過給(gei)數值模型中的各(ge)參數賦予(yu)不同數值從而(er)得到(dao)不同的結果(guo)，由此(ci)分析不同水文地質(zhi)參數、熱力學參數、水動力參數對單井循環換(huan)熱地能采集井的影響，這為地能采集井設計中的參數選擇提供(gong)了主要依(yi)據。
e.通(tong)過基於單井循環淺層(ceng)地熱能開發的數值模擬與分析，有利於深化對它的科學認識。
f.單井循環淺層(ceng)地熱能開發數值模擬的科學進行也(ye)有賴於對流動與換(huan)熱過程中有關強(qiang)迫(po)對流、自然對流、熱傳導、熱彌散(san)理論的進一步發展。流體力學與傳熱學中各(ge)種湍流模式發展促(chun)進熱能學科的發展就是一個(ge)有力的證明。
g.單井循環換(huan)熱地能采集井技術已(yi)在包括(kuo)中國國家(jia)大劇(ju)院在內的國內外(wai)許(xu)多重要工程中得到(dao)應用，獲得了良好的經濟效益和社會(hui)效益。通(tong)過對其進行數值模擬分析可以更有效的利用這種綠色能源來造福人類(lei)社會(hui)，為人口-資源-環境的可持續(xu)利用與發展提供(gong)有力的支持。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
