恒有源科技發展集團（微信號：HYYESSTD）專注(zhu)於淺層地能作為建築物供(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(xian)為建築物無(wu)燃燒供(gong)熱，大力發展地能熱冷一體化新興產業。
三、單(dan)井循環換熱地能采集井的計算模型與參數設置
3.1計算模型的假設條件
單(dan)井循環地能采集井在進行模擬計算之(zhi)前(qian)主要做(zuo)了(liao)以下合理假設：
（1）土壤的固(gu)體骨(gu)架(jia)和流體之(zhi)間瞬間完(wan)成了(liao)換熱過程。
（2）土壤的固(gu)體骨(gu)架(jia)和流體皆為均質、各(ge)向同性或各(ge)向異性的連續(xu)介質。
（3）充滿(man)的流體介質是不可壓(ya)縮的水，水按紊流條件設置。當水的雷諾數達(da)到(dao)層流條件時流動模式退化為層流。
（4）水在無(wu)蓄能顆(ke)粒(li)計算區域與有蓄能顆(ke)粒(li)計算區域相(xiang)交界麵處(chu)為層流狀態。
（5）慣性力隻有方向向下的重(zhong)力加速度。
（6）在動量方程中把(ba)多孔介質作為計算域的一個(ge)源項計算來(lai)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觀(guan)速度，而(er)非(fei)流體在固(gu)體骨(gu)架(jia)孔道(dao)中的實際速度，這(zhe)樣(yang)可方便計算。
（8）模擬計算時不考(kao)慮計算域上界太陽輻(fu)射(she)、與大氣熱交換等熱力過程可方便計算，更有利於反映問(wen)題的物理本質。
計算模型的假設條件在實際工程中結合具體情況(kuang)需(xu)要做(zuo)出調整，經過科學假設反複(fu)論證後方可確定。
3.2數值計算方法
淺層地熱能利用的研究方法主要有現(xian)場試(shi)驗(yan)方法、熱儲量估(gu)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(bao)括(kuo)有限單(dan)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(xiang)關資料，在此(ci)不再贅述。
在計算流體力學領域廣泛采用的是有限體積法，它是將計算區域劃分為許多控製(zhi)體積，然後把(ba)偏微分方程對每個(ge)控製(zhi)體積進行積分得出離(li)散方程。有限體積法的關鍵問(wen)題是在離(li)散過程被求函(han)數及其導數的分布做(zuo)出假定，求得的離(li)散方程的係數物理意義明確且具有守(shou)恒性，該(gai)方法由於計算量較小使得計算效率較高。
近年(nian)來(lai)隨(sui)著(zhou)數值傳熱學及計算流體力學的迅猛發展，許多相(xiang)關的專業軟件已被開發應用，可以采用CFX，FLUENT，STAR2CD,ANSYS軟件。當計算區域內部為均質、各(ge)項同性介質時也可以采用MATLAB軟件求解上述偏微分方程組，並能繪製(zhi)出與結算結果(guo)對應的圖形。
3.3物理模型
以有蓄能顆(ke)粒(li)的單(dan)井循環換熱地能采集井為例說明概化的物理模型。設研究區直徑(jing)為100米，深度為50米的三維圓(yuan)柱形徑(jing)向對稱區域，單(dan)井循環地能采集井位於幾何中心的上部，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，進水溫度分別為30K，290K。土壤溫度及土壤外邊界按恒溫為計，隔離(li)膜和絕(jue)熱內壁(bi)之(zhi)間的圓(yuan)環狀腔體中充滿(man)蓄熱顆(ke)粒(li)及水，隔離(li)膜外是土壤介質，另有進水口、潛(qian)水泵抽吸水口，地能采集井內壁(bi)為絕(jue)熱邊界條件。
3.4幾何模型
以圖-2的區域為例說明幾何模型的建立，本例采用合適的軟件建立研究區空間模型後，再采用網格(ge)劃分軟件將研究區域生成一定數量的矩(ju)形單(dan)元網格(ge)，外邊界的每條邊為一個(ge)麵，每個(ge)交叉點為單(dan)元的節點。其中靠近地能采集井的區域劃分網格(ge)時密度較大，以滿(man)足計算結果(guo)的精度要求。當計算區域是三維時，其幾何模型通常情況(kuang)下則需(xu)劃分為三維網格(ge)。
四、結論與建議
a.本文主要給(gei)出了(liao)有蓄能顆(ke)粒(li)和無(wu)蓄能顆(ke)粒(li)的單(dan)井循環換熱地能采集井的物理及水文地質模型和數學模型，為定量計算奠定了(liao)堅實的理論基(ji)礎(chu)。
b.由於單(dan)井循環換熱地能采集井的傳熱傳質過程複(fu)雜性，進行溫度計算時需(xu)采用數值模擬的方法。準確模擬、預(yu)測土壤及出水介質的溫度值對於淺層地熱能開發的理論研究及生產實踐(jian)具有重(zhong)要的指導意義和參考(kao)價(jia)值，相(xiang)比(bi)模型試(shi)驗(yan)及現(xian)場試(shi)驗(yan)可節約大量資金(jin)且耗(hao)費時間周(zhou)期短。
c.本文給(gei)出了(liao)理想的單(dan)井循環換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(bao)括(kuo)常量和變量在內的各(ge)參數賦(fu)值方法等的完(wan)整過程，把(ba)水文地質過程、水動力過程、傳熱傳質過程統(tong)一在一個(ge)數學模型中更便於進行研究。在實際研究生產過程中結合觀(guan)測資料和微分方程參數反演,通過模型識別得到(dao)反應實際狀況(kuang)的數學模型，按照上述方法即可模擬計算並求解以供(gong)生產研究使用。
d.通過給(gei)數值模型中的各(ge)參數賦(fu)予不同數值從而(er)得到(dao)不同的結果(guo)，由此(ci)分析不同水文地質參數、熱力學參數、水動力參數對單(dan)井循環換熱地能采集井的影響(xiang)，這(zhe)為地能采集井設計中的參數選擇提供(gong)了(liao)主要依據(ju)。
e.通過基(ji)於單(dan)井循環淺層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(dan)井循環淺層地熱能開發數值模擬的科學進行也有賴於對流動與換熱過程中有關強(qiang)迫對流、自然對流、熱傳導、熱彌(mi)散理論的進一步(bu)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(dan)井循環換熱地能采集井技術已在包(bao)括(kuo)中國國家大劇院在內的國內外許多重(zhong)要工程中得到(dao)應用，獲得了(liao)良好(hao)的經濟效益(yi)和社會(hui)效益(yi)。通過對其進行數值模擬分析可以更有效的利用這(zhe)種綠色能源來(lai)造福人類(lei)社會(hui)，為人口-資源-環境(jing)的可持(chi)續(xu)利用與發展提供(gong)有力的支持(chi)。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
