地源热泵系统中一个地热井的地热井模型

地源热泵系统中一个地热井的地热井模型

摘要

热泵是一种为一个空间在冬天提供加热和在夏季提供降温的机械系统。他们越来越受欢迎，这取决于它们操作周期的选择上，因为相同的系统可以提供了两种冷却模式。为了进行适当的操作，热泵必须连接到一个恒定的温度，在传统系统中的热储层是环境空气。在地下水源热泵，地下地下水作为热储层。要进入地下地下水，“地热”威尔斯钻入地层。建筑供暖或冷却系统的水通过威尔斯循环，从而促进冷却液水和地下地层之间的热交换。提高效率的加热和冷却的潜力，提高了利用地源热泵空调系统。此外，它们的相容性与自然发生的和稳定的热储层增加了其在可持续发展或绿色建筑和人造环境设计中的应用

地下水流影响热威尔斯的温度响应，由于热对流的热物理运动的地下水通过含水层。这一课题的研究在地热文献中是少见的。本文介绍了一种“地热”井的水力地下水流导通和对流热分散的解析解的推导。这种分析对渐近分析的解决方案进行了验证。

传统的恒线热源溶液是依赖于地层的热性能，其中最主要的是热传导率。结果表明，随着液压地下水流的增加，地面形成的热传导率的影响，以及减少的温度响应。在佩克莱特数递减参数的影响明显；比较热平流从液压地下水流动热传导和分子扩散。

关键词：热存储；地面耦合热泵；地热井；立柱井；井田；分析模型；液压流量；地下水流

简介

热威尔斯研究本文通过流动的工作液通过热流体动力学相互作用与地面形成的操作。其他热的类型，如封闭回路接地热交换器，不允许工作流体与地面互动，但遵循相同的基本原则。图1显示了一个热的基本功能。这样一个问题的物理可以分为不同的时间制度。早期的热响应依赖于热质量的流体作为主要的存储机制，为热能。一旦井液是热饱和的，以及在轴向方向上的热的档案，热物理成为依赖于地面形成的热和液压性能。

图1：一个可以忽略不计的水力流动的热的一般操作。一个外部负载被

施加到通过工作流体的流动的一个环和一个回流管

有许多分析和数值模型来模拟热威尔斯，所有的限制和假设。分析模型包括Kelvin线源模型[ 1，2 ]圆柱热源模型[ 3，4 ]，使用函数结合的好[ 5 ]和[ 6 ]有限线源模型的深度eskilson模型。对这些分析方法以及一些数值方法进行了深入分析，提出了由杨等人[7].

Yuil和mikler [ 8 ]通过压力梯度分析诱导立柱威尔斯，通过环由于水流量的近场地面之间形成的地下水流动的影响。Claesson和赫尔斯特伦[ 9 ]模型热与地下水流动产生g-函数以eskilson的传导模型[ 5 ]和叠加的影响地下水使用无限线源。Chaisson等人[ 10 ]报告结果的数值模型，分析了地下水流动对钻孔的热响应的影响。这些数值和分析模型的假设，均匀各向同性的热和液压地层的性质，但不比较其结果的渐近分析解决方案。

格林和赫尔斯特伦[ 11 ]显示异构地层性质对一个给定的三种方案的热反应的影响：均质地基性能，多孔区不透水区，以及附近的垂直裂缝。Metzger等人[ 12 ]显示高流量在正交方向，液压流量高佩克莱特数超出了本文在雷诺兹数范围偏离地面部队的达西流的热弥散效应，在熊[定义] 13。他们用一个无限的移动线源的问题，本文做了但不扩大方案，包括温度变化的热井周围的圆周。赫克特门德兹[ 14 ]提出了一种与微不足道的液压流量液压流的数值分析，介质的液压流量，传导是不可忽略的，和一个高流量的传导是可以忽略的。他们的结果证实了数值分析软件MT3DMS能够解决传热问题；但是，基本分析结合的几何效果没有分析。

本文提出了一种分析的解决方案的一个很好的热响应的影响下，液压流量正常的轴的井。图2显示了一个问题的描述。热物理的问题偏离传导模型，由于对流的热量远离的影响，以及由液压流量。在纯径向传导，热分布随时间的增长，由于在径向方向上的半无限的几何形状的时间无限。液压流量、温度分布的高原由于由于连续去除热对流。

图2：一个井的运行以及水力地下水流及其对热流量的影响。

首先通过分析模型是和jaegar [ 3 ]利用格林函数和叠加法计算地面形成一连续的流体横向流动的热点源的解决方案。该解决方案是集成在一个方向正交的流产生的移动线路源的路径。一个能量平衡，以及集成的移动线源解决方案的周围的圆周上的井，获得的热以及水的温度。此解决方案是针对一个固定的线源的早期时间的解决方案进行验证，并为以后的时间为一个移动的线源的稳定状态的解决方案。对后世的稳态解的分析了解努塞尔数轴流的影响通过井和佩克莱特数液压流通过地面平整。最后，分析解决方案用于0.01 佩克莱特数产生轮廓图，和1个不同时间显示液压地下水流动的影响。

问题分析

在这部分中的问题的热物理描述和导出的解析解。要解决的分析解决方案，物理的问题被确定在不同的时间制度。早期的解决方案假设只有传热轴向内的井，忽略传热到地面的形成。以后的时间解决方案假设只有传热的轴线的井到地面的形成和忽视的轴向方向的传热。在早期，热井进行升温阶段，最初的热井温度等于无限的地面温度，并在稍后的时间，T *，由于热外，热井取得了在Z 方向上稳定的温度分布。的时间，吨*，是平等的停留时间的流动，通过热。对于以后的时间（吨），热的主要是传输热的地面的形成和问题解析求解假设一个恒定的热负荷，每单位长度的热井。的早期时间和时间的解决方案被叠加以获得的温度分布的热井水。对渐近解的解进行了验证。 早期的物理学

热传导到热阱的吸收由三个机制：良好的热质量，通过传导的地面形成，和地面形成通过对流。的能量方程的流下来的

(1)

在这里（HA ）是从井稳定无限的地面温度的等效热阻和从井的井，从井墙无限边界的温度Ti 的导通电阻壁的对流电阻的串联组合。方程（1）

0),,(12)(2320=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-++∂∂+∂∂⎰ππϕτϕθπθπθτςθτθd Pe R H Pe Pe NTU s x well w z x w s w s w (2) 缩放因子为温度)2(T -T g i Hk Q πθ）（=。w θ是井水尺度温度，g k 为地层的导热系数，并H

z =ς是用来衡量Z 方向。按比例由*==t

t V C t

C m pw w pw w s ρτ (3) s τ的解释为时间的停留时间，比*t ，对流体流经井。

g i pw w i k R U C Pe 0

ρ= (4)

pw

w e s C m hA NTU )()(=τ (5) 通过假设井的热质量吸收了大部分的能量输入到井的热的温度（*

析解。这是假设在式非线性第三和第四条款（2）是可以忽略不计的生产

0=∂∂+∂∂ς

θτθe s e (6) e θ是用来表示早期时间标度的温度。式（6）的解

0)(1)2()()(2320=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+∂∂+∂∂⎰ϕϕπρρππd T T H R U C T T hA z T H C m t T V C wall w x pw w i w e w pw w w pw w