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单井抽灌对地温影响的探讨
来源:《热泵资讯》 日期:2012-05-24 点击:次

马最良1,徐生恒2

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院 哈尔滨,150001;2.恒有源科技发展有限公司,北京,100093)

摘 要: 单井抽灌是在一个换热井内通过地下水的循环来采集浅层地能的装置。本文通过实验装置采集换热井周围地下温度场的数据,研究单井抽灌的特点和温度场的变化规律。实验结果说明,通过正确设计井内的能量采集装置,单井抽灌可以实现稳定的供热(冷)与传统水源热泵相比有明显的优越性。

关键词: 单井抽灌;温度场

1、换热分析

图1给出了单井抽灌示意图。如同中所示:取水和回灌水集成在同一口井内进行,通过隔板把井分成三部分,低压吸水区,中间隔断区和高压回水区。当潜水泵运行时,地下水从低压区被抽至井口换热器中,与热泵低温水换热,地下水释放完热量,再由同井返回到回水区。以此作为热泵的低位热源,向热泵提供低位热量。中间隔断区的存在是为了减轻回水和抽水的掺混。

图1 抽灌同井图示

单井抽灌具有如下特点:

(1)取水和回灌集成在同一口井内进行,这样一口取热井能同时完成抽水和回灌的功能,相对于传统的异井回灌地下水源热泵减少了井口数,节省了场地,因此节省了初投资。

(2)同井回灌地下水源热泵抽水和回灌在含水层同一径向位置不同深度处发生,成功地解决了异井回灌地下水源热泵的移沙问题,减少了沙堵的可能性。

同井回灌地下水源热泵系统的运行,引起含水层温度场的变化,而地下水温度的变化对于热泵的性能系数影响很大。因此应格外注意含水层温度变化的分析。地下水与地下水、地下水与固体骨架、固体骨架与固体骨架、含水层与相邻的顶、底板岩土层之间发生着复杂的传热作用,这些作用包括:

(1)强迫对流换热

温度不同的地下水的运动引起强迫对流换热;

(2)热传导

注入的冷(热)水在运动过程中不断的与周围固体骨架和顶底板发生导热交换;固体骨架与固体骨架之间、固体骨架与顶、底板岩土层之间由于温度的差异,也发生导热交换。热传导是由分子导热即分子热运动引起的能量输运;

(3)热弥散

由于多孔介质孔隙内速度脉动,引起热量的平均化,从而导致换热的增强,这一点和溶质运移的弥散效应类似。弥散现象的存在,使多孔介质中的传热和流动表现出很多独有的复杂特点,并对流体的流动和传热产生重要影响,即出现所谓的弥散效应。它不仅使粘性耗散增强,特别是当流速较高时,流动阻力很大,也使得多孔介质中的传热得到明显强化,后者称为热弥散。由热弥散传递的热量有可能很大,尤其是在近井附近。弥散效应与流体在孔隙通道内的流速、固体骨架和流体的物性即以多孔通道的结构等因素有关;

(4)自然对流

地下水由于温度的不同产生密度的差异,引起浮升力,从而产生附加流速影响换热。

2.测试方案

图2、3给出实验答案。

图2 观测孔布点示意图

图3 换热器机组布点示意图

SW—抽灌同井;FW—抽水试验井;

KS1-KS5—地下水位观测孔;KT1-KT6—温度观测孔

该试验是结合一实际使用的抽灌单井(换热器厂冷热源井)进行的。最初设计试验内容包括三部分:

(1)抽水试验。测定含水层的某些水动力参数,这些参数是后续模型计算所必须的。

(2)渗流试验。通过实时记录地下水位观测孔中地下水位的变化来反映地下水的渗流特性。

(3)温度试验。实时记录同井回灌地下水源热泵运行和停机期间地下水和含水层温度的变。

但由于客观条件的限制,抽水试验和渗流试验已取消,只进行温度试验,先期打一个观测孔KT2,深度100m,钻头直径152mm,距冷热源井10.3m,东偏南36°。换热机组一次水侧加装了水表、温度传感器和玻璃管温度计。二次水侧未加装测量仪表。

3 仪器仪表

图4 测温电缆照片

观测孔采用两根测温电缆。测温电缆1长50m,11-50m范围内布置有50个温度传感器;测温电缆2长110m,47-110m范围内布置有64个温度传感器,每米一个。图4给出了测温电缆照片。测温电缆温度传感器采用“1-wire bus”传感器,测温范围-10~85℃,精度±0.5℃。冷热源井一次水侧温度传感器仍然采用同样产品,经过标定。冷热源井一次水侧玻璃棒温度计为实验室用玻璃棒水银温度计,温度范围0-50℃,精度:±0.1℃。冷热源井一次水侧流量变化不大, 采用冷水表计时测量,型号LXLC-100,接口管径DN100,B级精度。

4 施工实况

图5给出了冷热源井机房照片。

图6给出了测温电缆下入观测孔的照片。测温电缆下入之前,在其末端挂牢了一大约10kg的重锤。下入时始终保持测温电缆在观测孔中央。

图7给出了测温电缆下完后照片。测温电缆下到位(最上面的温度传感器位于地面±0.000m处)后,采用细卵石(打井报告显示该处主要为卵石含水层)缓慢回填,回填到打井报告所示的卵石层位深度(地面下2.5m)。测温电缆最上面的传感器位于地面下0.2m处,测温电缆暴露于地面部分穿入钢管后,开凿埋于地表处。

图8给出了回填卵石照片。

图9给出了封井用的泥球照片。

图5 冷热源井机房照片

图6 往观测孔中下测温电缆   图7 测温电缆下完后照片

图8 给出了回填卵石照片  图9给出了封井用的泥球照片

5. 过渡季温度测试

首次过渡季温度测试时间为:2005-03-21至2005-05-17共计58天。图9给出了观测孔处温度
随深度的变化。

图10 观测孔不同深度温度随时间的变化

图10给出了测孔不同深度处温度随时间的变化关系。

初步结果:

1、由图9、图10可以看出观测孔处温度变化集中在0-4m、24-60m的范围内,剩余地方温度变化很小。0-4m内的温度变化是因为随着天气转暖,地表面温度回升造成的。2005-03-21到2005-05-17共计58天中,地表面温度从7.3℃回升到16.2℃。24-60m范围处于抽灌单井的回水段。该处温度恢复是因为:经过一个冬季的热泵取热运行,使得该处岩土温度较低,过渡季热泵取热量很小,甚至向含水层中排热,这样较高温度的回水进入含水层中,与该处岩土换热,致使其温度有所恢复。

2、24-60m范围内观测孔处温度同一时间变化剧烈,随着时间的推移,这种变化有所缓和。这可能有三个方面的因素:①由于该冷热源井已运行5到6年,地下温度场受到长时间、循环的取热、排热等的影响,可能造成这种情况发生;②含水层的多层性造成的,含水层是多层时,每层含水层的横向、竖向渗透系数各不相同,含水层接受回水的能力各不相同,导致它们的换热效果各不相同,可能造成含水层温度场的剧烈变化;

图11 抽、回水口温度随时间的变化关系

③温度传感器的精度较差,固有误差的存在,可能影响测量的结果。

3、在一定深度以下(例如-70米以下),地下岩土体温度不随时间变化,热泵系统取热和放热的过程对该深度以下的温度场没有影响,这是一个正确设计的冷热源井必须满足的条件;

4、从2005年3月15日起,上述测试一直连续进行,所得到的测试结果以年为周期重复。即在制冷季结束后,温度曲线达到了最右侧,然后向左侧运动,直到供暖季结束。曲线达到最左侧,在取热井周围一定深度内,地下温度场按此规律变化。

 
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