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)。
三、單井循環(huán)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
單井循環(huán)地能采集井在進行模擬計算之前主要做了以下合理假設：
（1）土壤的固體骨架和流體之間瞬間完成了換熱過程。
（2）土壤的固體骨架和流體皆為均質、各向同性或各向異性的連續(xù)介質。
（3）充滿的流體介質是不可壓縮的水，水按紊流條件設置。當水的雷諾數達到層流條件時流動模式退化為層流。
（4）水在無蓄能顆粒計算區(qū)域與有蓄能顆粒計算區(qū)域相交界面處為層流狀態(tài)。
（5）慣性力只有方向向下的重力加速度。
（6）在動量方程中把多孔介質作為計算域的一個源項計算來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速度，而非流體在固體骨架孔道中的實際速度，這樣可方便計算。
（8）模擬計算時不考慮計算域上界太陽輻射、與大氣熱交換等熱力過程可方便計算，更有利于反映問題的物理本質。
計算模型的假設條件在實際工程中結合具體情況需要做出調整，經過科學假設反復論證后方可確定。
3.2數值計算方法
淺層地熱能利用的研究方法主要有現場試驗方法、熱儲量估計法、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括有限單元法、有限體積法、邊界元法、混合元法等，有關內容可參閱相關資料，在此不再贅述。
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(qū)域劃分為許多控制體積，然后把偏微分方程對每個控制體積進行積分得出離散方程。有限體積法的關鍵問題是在離散過程被求函數及其導數的分布做出假定，求得的離散方程的系數物理意義明確且具有守恒性，該方法由于計算量較小使得計算效率較高。
近年來隨著數值傳熱學及計算流體力學的迅猛發(fā)展，許多相關的專業(yè)軟件已被開發(fā)應用，可以采用CFX，FLUENT，STAR2CD,ANSYS軟件。當計算區(qū)域內部為均質、各項同性介質時也可以采用MATLAB軟件求解上述偏微分方程組，并能繪制出與結算結果對應的圖形。
3.3物理模型
以有蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井為例說明概化的物理模型。設研究區(qū)直徑為100米，深度為50米的三維圓柱形徑向對稱區(qū)域，單井循環(huán)地能采集井位于幾何中心的上部，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，隔離膜和絕熱內壁之間的圓環(huán)狀腔體中充滿蓄熱顆粒及水，隔離膜外是土壤介質，另有進水口、潛水泵抽吸水口，地能采集井內壁為絕熱邊界條件。
3.4幾何模型
以圖-2的區(qū)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(qū)空間模型后，再采用網格劃分軟件將研究區(qū)域生成一定數量的矩形單元網格，外邊界的每條邊為一個面，每個交叉點為單元的節(jié)點。其中靠近地能采集井的區(qū)域劃分網格時密度較大，以滿足計算結果的精度要求。當計算區(qū)域是三維時，其幾何模型通常情況下則需劃分為三維網格。
四、結論與建議
a.本文主要給出了有蓄能顆粒和無蓄能顆粒的單井循環(huán)換熱地能采集井的物理及水文地質模型和數學模型，為定量計算奠定了堅實的理論基礎。
b.由于單井循環(huán)換熱地能采集井的傳熱傳質過程復雜性，進行溫度計算時需采用數值模擬的方法。準確模擬、預測土壤及出水介質的溫度值對于淺層地熱能開發(fā)的理論研究及生產實踐具有重要的指導意義和參考價值，相比模型試驗及現場試驗可節(jié)約大量資金且耗費時間周期短。
c.本文給出了理想的單井循環(huán)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、包括常量和變量在內的各參數賦值方法等的完整過程，把水文地質過程、水動力過程、傳熱傳質過程統(tǒng)一在一個數學模型中更便于進行研究。在實際研究生產過程中結合觀測資料和微分方程參數反演,通過模型識別得到反應實際狀況的數學模型，按照上述方法即可模擬計算并求解以供生產研究使用。
d.通過給數值模型中的各參數賦予不同數值從而得到不同的結果，由此分析不同水文地質參數、熱力學參數、水動力參數對單井循環(huán)換熱地能采集井的影響，這為地能采集井設計中的參數選擇提供了主要依據。
e.通過基于單井循環(huán)淺層地熱能開發(fā)的數值模擬與分析，有利于深化對它的科學認識。
f.單井循環(huán)淺層地熱能開發(fā)數值模擬的科學進行也有賴于對流動與換熱過程中有關強迫對流、自然對流、熱傳導、熱彌散理論的進一步發(fā)展。流體力學與傳熱學中各種湍流模式發(fā)展促進熱能學科的發(fā)展就是一個有力的證明。
g.單井循環(huán)換熱地能采集井技術已在包括中國國家大劇院在內的國內外許多重要工程中得到應用，獲得了良好的經濟效益和社會效益。通過對其進行數值模擬分析可以更有效的利用這種綠色能源來造福人類社會，為人口-資源-環(huán)境的可持續(xù)利用與發(fā)展提供有力的支持。（作者：孫驥 李大秋）
選自_《中國地能》
