恒有源科技發展集團（微信號：HYYESSTD）專注於淺(qian)層(ceng)地能作為建築物供(gong)熱的替(ti)代能源的科研、開發和推廣。致(zhi)力於原創技術的產業化發展，實現為建築物無燃燒供(gong)熱，大力發展地能熱冷(ling)一體化新興產業。
淺(qian)層(ceng)地熱能是(shi)一種(zhong)新型可再生(sheng)的能源，它(ta)來源於地球內部的熱量(liang)和太(tai)陽輻(fu)射。淺(qian)層(ceng)地熱能廣泛存在於岩(yan)石、土壤、水源等許(xu)多介質(zhi)中，位於地表200米(mi)以內的恒溫帶(dai)內。它(ta)的開采是(shi)隨著全球能源危(wei)機和環境問題的凸顯而逐步發展起來的一項能源及環境保護(hu)技術，它(ta)的研究對於嚴(yan)重依賴(lai)化石能源經(jing)濟(ji)快(kuai)速發展的中國而言(yan)尤(you)為重要。
國內外許(xu)多學者及單(dan)位在淺(qian)層(ceng)地熱能的研究中進行了不(bu)懈(xie)努力並取得(de)了豐碩(shuo)成果(guo)。當(dang)前淺(qian)層(ceng)地熱能的主要利用(yong)方式有地表水源為熱源的水源熱泵(beng)和以地表岩(yan)石、土壤介質(zhi)為熱源的土壤源熱泵(beng)兩種(zhong)。本(ben)文的研究對象(xiang)是(shi)單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井，它(ta)是(shi)原創性的適(shi)用(yong)於多種(zhong)地質(zhi)條件(jian)的新型淺(qian)層(ceng)地熱能開發技術。這種(zhong)單(dan)井循環淺(qian)層(ceng)地熱能開發方式結合了上述前兩種(zhong)傳統地能采集方法的優勢，實現了循環水在同一含水層(ceng)的完全回灌，從而成功(gong)實現了單(dan)井循環淺(qian)層(ceng)地熱能的開發。該設備生(sheng)產成本(ben)較低，無水體汙染，檢修方便，便於在有淺(qian)層(ceng)地下水的地區推廣，實現了真正(zheng)的綠色能源利用(yong)。由於我國淺(qian)層(ceng)地熱能分布(bu)地域廣泛、資源豐富，開展此(ci)項研究並大力開發這種(zhong)單(dan)井循環淺(qian)層(ceng)地熱能對於保障(zhang)能源安全、降低環境汙染具有重要意義(yi)。
本(ben)文完整建立單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井完整的概念模型和數學模型，對於深入(ru)理解其數學原理、水文地質(zhi)及物理過程，高效開發利用(yong)這種(zhong)單(dan)井循環淺(qian)層(ceng)地熱能具有重要意義(yi)。
一、單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井的物理概念模型和多孔介質(zhi)特征(zheng)
1.1物理概念模型
本(ben)文的研究對象(xiang)是(shi)單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井，它(ta)以循環水作為介質(zhi)采集地下溫度低於25℃的熱能，實現了地下水的同層(ceng)完全回灌。這種(zhong)井不(bu)消耗(hao)也不(bu)汙染地下水，因(yin)此(ci)對於地下水體質(zhi)量(liang)是(shi)安全的。
這種(zhong)地能采集井分為有蓄能顆粒類型和無蓄能顆粒類型兩種(zhong)。以下以有蓄能顆粒型為例說明。
有蓄能顆粒的單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井的物理過程為，循環水由絕熱井壁內部抽水區的潛(qian)水泵(beng)抽出(chu)排走(zou)送入(ru)熱泵(beng)機組經(jing)過放(fang)熱或者吸(xi)熱後(hou)，由熱泵(beng)機組返(fan)回進入(ru)地能采集井上部的加(jia)壓回水區內部。水流(liu)在絕熱井壁與隔離膜之間有蓄能顆粒的環形空(kong)間內流(liu)動，大部分進入(ru)下部抽水區，一小部分透過孔壁的隔離從加(jia)壓回水區通過滲透流(liu)到土壤介質(zhi)中，最後(hou)從抽水區回流(liu)。地能采集井的所有回水透過絕熱井壁下部的花管(guan)由潛(qian)水泵(beng)抽走(zou)送回熱泵(beng)機組，見圖-1。
1.2多孔介質(zhi)特征(zheng)
單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井的多孔介質(zhi)總共包(bao)括兩種(zhong)，一種(zhong)是(shi)絕熱井壁與隔離膜之間充滿蓄熱顆粒，其特點是(shi)有良(liang)好的蓄熱性能。蓄熱顆粒的蓄熱係數很大，亦(yi)即熱流(liu)波動的振(zhen)幅與溫度振(zhen)幅的比值很大。另一種(zhong)是(shi)隔離膜外側的飽(bao)和土壤多孔介質(zhi)，其作用(yong)是(shi)通過水與蓄能顆粒之間交換(huan)熱量(liang)和水，亦(yi)即傳熱傳質(zhi)。可見單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井是(shi)含有兩種(zhong)多孔介質(zhi)的對流(liu)傳熱傳質(zhi)的水熱耦(ou)合體，水在其中發揮最重要作用(yong)。
二、單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井的數學模型
單(dan)井循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(zhong)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(zhong)計算區域,無蓄能顆粒采集井則包(bao)括多孔介質(zhi)和充水兩種(zhong)計算區域。其數學模型的選取較複(fu)雜，前者用(yong)考慮(lv)固(gu)體骨架(jia)的流(liu)體動力學模型即可,後(hou)者除此(ci)之外另增(zeng)加(jia)湍流(liu)模型用(yong)以計算隻充水的計算區域，當(dang)充滿的水為層(ceng)流(liu)狀態時則湍流(liu)模型退(tui)化為層(ceng)流(liu)模型計算。可見典型的單(dan)井循環換(huan)熱地能采集井中存在三種(zhong)流(liu)態的區域，即水介質(zhi)中的紊流(liu)與層(ceng)流(liu)兩種(zhong)流(liu)態和土壤（蓄能顆粒）中的層(ceng)流(liu)流(liu)態。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
