恒有源科技發(fā)展集團（微信號：HYYESSTD）專注于淺層地能作為建筑物供熱的替代能源的科研、開發(fā)和推廣。致力于原創(chuàng)技術的產業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)為建筑物無燃燒供熱，大力發(fā)展地能熱冷一體化新興產業(yè)。
淺層地熱能是一種新型可再生的能源，它來源于地球內部的熱量和太陽輻射。淺層地熱能廣泛存在于巖石、土壤、水源等許多介質中，位于地表200米以內的恒溫帶內。它的開采是隨著全球能源危機和環(huán)境問題的凸顯而逐步發(fā)展起來的一項能源及環(huán)境保護技術，它的研究對于嚴重依賴化石能源經(jīng)濟快速發(fā)展的中國而言尤為重要。
國內外許多學者及單位在淺層地熱能的研究中進行了不懈努力并取得了豐碩成果。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巖石、土壤介質為熱源的土壤源熱泵兩種。本文的研究對象是單井循環(huán)換熱地能采集井，它是原創(chuàng)性的適用于多種地質條件的新型淺層地熱能開發(fā)技術。這種單井循環(huán)淺層地熱能開發(fā)方式結合了上述前兩種傳統(tǒng)地能采集方法的優(yōu)勢，實現(xiàn)了循環(huán)水在同一含水層的完全回灌，從而成功實現(xiàn)了單井循環(huán)淺層地熱能的開發(fā)。該設備生產成本較低，無水體污染，檢修方便，便于在有淺層地下水的地區(qū)推廣，實現(xiàn)了真正的綠色能源利用。由于我國淺層地熱能分布地域廣泛、資源豐富，開展此項研究并大力開發(fā)這種單井循環(huán)淺層地熱能對于保障能源安全、降低環(huán)境污染具有重要意義。
本文完整建立單井循環(huán)換熱地能采集井完整的概念模型和數(shù)學模型，對于深入理解其數(shù)學原理、水文地質及物理過程，高效開發(fā)利用這種單井循環(huán)淺層地熱能具有重要意義。
一、單井循環(huán)換熱地能采集井的物理概念模型和多孔介質特征
1.1物理概念模型
本文的研究對象是單井循環(huán)換熱地能采集井，它以循環(huán)水作為介質采集地下溫度低于25℃的熱能，實現(xiàn)了地下水的同層完全回灌。這種井不消耗也不污染地下水，因此對于地下水體質量是安全的。
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明。
有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的物理過程為，循環(huán)水由絕熱井壁內部抽水區(qū)的潛水泵抽出排走送入熱泵機組經(jīng)過放熱或者吸熱后，由熱泵機組返回進入地能采集井上部的加壓回水區(qū)內部。水流在絕熱井壁與隔離膜之間有蓄能顆粒的環(huán)形空間內流動，大部分進入下部抽水區(qū)，一小部分透過孔壁的隔離從加壓回水區(qū)通過滲透流到土壤介質中，最后從抽水區(qū)回流。地能采集井的所有回水透過絕熱井壁下部的花管由潛水泵抽走送回熱泵機組，見圖-1。
1.2多孔介質特征
單井循環(huán)換熱地能采集井的多孔介質總共包括兩種，一種是絕熱井壁與隔離膜之間充滿蓄熱顆粒，其特點是有良好的蓄熱性能。蓄熱顆粒的蓄熱系數(shù)很大，亦即熱流波動的振幅與溫度振幅的比值很大。另一種是隔離膜外側的飽和土壤多孔介質，其作用是通過水與蓄能顆粒之間交換熱量和水，亦即傳熱傳質?？梢妴尉h(huán)換熱地能采集井是含有兩種多孔介質的對流傳熱傳質的水熱耦合體，水在其中發(fā)揮最重要作用。
二、單井循環(huán)換熱地能采集井的數(shù)學模型
單井循環(huán)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(shù)學模型中僅有多孔介質一種計算區(qū)域,無蓄能顆粒采集井則包括多孔介質和充水兩種計算區(qū)域。其數(shù)學模型的選取較復雜，前者用考慮固體骨架的流體動力學模型即可,后者除此之外另增加湍流模型用以計算只充水的計算區(qū)域，當充滿的水為層流狀態(tài)時則湍流模型退化為層流模型計算?？梢姷湫偷膯尉h(huán)換熱地能采集井中存在三種流態(tài)的區(qū)域，即水介質中的紊流與層流兩種流態(tài)和土壤（蓄能顆粒）中的層流流態(tài)。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
