单井循环地下换热系统多流态流动和传热耦合机理研究

单井循环地下换热系统虽在多国应用，但由于热源井结构的特殊性，现有研究严重不足，对其地下水的流动和传热机理认识不清。本项目首先将单井循环地下换热系统地下水的流动归结为多流态流动，以流体力学和地下水动力学为理论基础，整合管道流动、可渗透管道流动、层流渗流和紊流渗流，建立地下水多流态流动的统一数学模型；而后结合多孔介质传热学理论，建立该系统传热数学模型，并在模型中完整考虑热弥散效应和非等温渗流。搭建砂箱试验台，通过可控的实验室研究，物理模拟三种热源井；同时对已开展的现场试验进行改造、深化，在复杂的时空条件下，研究该系统的运行规律。通过将传统暖通空调、水文地质、工程热物理等学科有效地交叉融合，运用多学科相关理论，深刻认识这种复杂时空条件下地下水多流态流动和传热的耦合机理，以求把握系统的运行规律，厘清适用的地质条件，更好地挖掘单井循环地下换热系统的节能减排潜力。

单井循环地下换热系统虽在多国应用，但由于热源井结构的特殊性，现有研究严重不足，对其地下水的流动和传热机理认识不清。项目计划书制定的研究内容包括四项：(1) 单井循环地下换热系统地下水多流态流动和换热耦合模型的建立；(2) 单井循环地下换热系统的物理模拟研究；(3) 单井循环地下换热系统的现场试验研究和(4)单井循环地下换热系统热源井运行规律的研究。项目预期发表高水平论文3篇以上，力争SCI、EI检索2篇以上；培养研究生2名。项目执行期间完全包含了预定研究内容，达到了预期目标。经过三年的研究，本项目完成的研究内容有7项：(1) 改造填砾同井的现场试验，完成了现场试验研究；(2) 分析含水层、回填砾石区、井孔、井管内的流动状态、运动控制方程，依靠流体力学、地下水动力学和多孔介质传热学理论，引入渗流-管流耦合模型，建立了单井循环地下换热系统地下水多流态流动和传热的统一数学模型；(3) 单一介质承压含水层抽灌同井的地下水降深理论解析；(4) 单井循环地下换热系统的物理模拟砂箱实验台的建立及实验研究；(5) 通过算例逐一分析了影响单井循环地下换热系统热源井地下水流动和换热的因素，得到了单井循环地下换热系统热源井运行规律；(6) 带辅助热源的地源热泵设计负荷比分析研究，给出了一部分系统设计方法；(7) 研究能增强单井循环地下换热系统健康运行能力的新系统，提出了单、双井混合系统和一种流量多级调节的地下水源热泵热源井。目前，项目在国内外学术刊物上发表论文8篇，其中SCI收录1篇、EI检索2篇、EI源刊3篇；获得发明专利授权1项；培养研究生3名，其中硕士研究生2名，均已毕业；博士研究生1名，预期2014年7月毕业。本项目的研究将传统暖通空调、水文地质、工程热物理等学科有效地交叉融合，运用多学科相关理论，深刻认识这种复杂时空条件下地下水多流态流动和传热的耦合机理，把握系统的运行规律，厘清适用的地质条件，为更好地挖掘单井循环地下换热系统的节能减排潜力提供了坚实基础。