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1、附件1：外文资料翻译译文约旦立柱井潜能应用的地源热泵的性能评估A.Al-Sarkhi,E.Abu-Nada,S.Nijmeh,B.AkashDepartment of Mechanical Engineering, Hashemite University, Zarqa 13115, JordanReceived 12 April 2006; accepted 29 June 2007Available online 20 August 2007摘要 热和竖直圆柱井流体的流动的数字模拟与钻井泵周围的多空媒介的地源热泵已经开始研究。有限的差别已被使用。参数的研究变化已发生变化。举个例子，不同的流
2、速如0.10，0.20和0.30与远距离的温度变化如从15摄氏度到60摄氏度成为研究对象。增加流速和大跨度的温度将增加来自SCW的出水温度，再返回到热泵。从0.05到0.275孔隙度的影响也别考虑。增加孔隙度也能增加出水温度。同样的，雷诺数的影响也分别减少了15-500和1000-11000，这种情况已经被报道。努塞尔数和雷诺数降低了出水口温度。在地热辅助系统中，SCW是一种很好的地热交换器。在关于雷诺数与弄塞尔数方面已有了更深的研究。关键词 立式圆柱井 地源热泵 约旦1 引言约旦有合适的地质条件，水文条件，被认为有潜在的资源地热，这种潜在的可以改善整体性能的地缘热泵（GSHP）或地热热泵（G
3、HP），尤其适用站柱与单井循环系统（SCW），地源热泵是指到热泵系统那个采用地面或任何水库作为热源或汇。地热可以从土地中传到温度低的地方；在寒冷季节温度升高，通过热泵用于供暖系统。在夏季制冷，该系统可以扭转，建筑热可以释放热到土地中，发挥很大的冷却价值。地面系统连接到地下热泵也从地面到地下散热。地热热泵或者地源热泵被认为是世界上增长最快的可再生能源应用之一。按照美国和欧洲约10%的年度增长。给地源热泵主要优点是他利用地热作为一种资源，在文献上已经有广泛的的研究，特备是U型管地下换热器和一般闭环地源热泵。最近，一些设计也用于加热和冷却水平环。据说，改善适当地址和水文参数的地区地热热泵的整体性能是
4、在研究工作的最新常设栏目，以及增加的原因。最近，超临界水受到重视，因为它降低了安装成本，降低运行成本，提高地源热泵的整体表现与地质条件适宜地区，如约旦。在超临界技术进行了评估，并与其他地源人泵系统相比。超临界水系统在商业和工业设计方面有非常重要的应用，应为它需要更短的钻孔和提供更稳定的温度，特别实在较高的热负荷地区。最近SCW的设计大多是集中再热提取。此外，在另一项研究中，对该井的不同部位的传热做了假设。超临界系统可以被看做一个封闭的回路符号表bleed渗透量与总流量的比Rb钻孔热阻（K/W）Cpl水的比热(J/Kg k)Re雷诺数Cps固体比热(J/Kg k)稀土元素粗糙度D钻孔直径(m)远
5、端温度(。C)E拉伸参数Tb钻孔表面温度(。C)f摩擦系数Tf钻孔平均水温(。C)GSHP地源热泵Tf,out离井水温(。C)GHP地源热泵Tf,in回井水温(。C)h对流换热系数(W/m2 k)t时间(s)hbokrehole对流换热系数(W/m2 k)Tfold原始水温(。C)keff多孔介质的有效导热系数(W/m k)希腊符号kl水的导热系数(W/m k)土壤热扩散率ks固体导热率(W/m k)时间增量L钻孔深度(m)水的密度m 钻孔内水的质量(Kg)固体密度质量流率(Kg/s)水运动粘度n 多孔介质孔隙率qlCp1Nu 努塞尔数坐标计算域Pe Peclet数(Pe=RePr)比（Kef
6、f值/（QCP工作）效率）Pr普朗特数下标SCW立柱井in进口Vr地下水平均径向流速（m/s）out出口Vrb 上水流平均数度（m/s）无穷远q 通量（W/m2）b钻孔rb 钻孔半径（m）f井筒内流体ri径向距离（m）l液体 远地半径(m)s固体（饱和水土）r 半径(m)上标R热阻（K/W）无量纲量耦合系统和开环地下水系统的结合。它是通过在井与热泵之间的循环水工作的如图一所示。然而，在高峰时段的温度，它可以从系统抽出一些水引入地下水在井的周围循环。单井循环系统可能是足够大的，多个单井循环系统平行相连将能承载更大的负荷。如果这个地域有坚硬的石头，要打深井，因此从静止的水位向下构造一个竖立圆柱井是
7、困难的。如果井水温度降得太低或升得太高单井系统会排除这部分水而不是排出全部的水进入井里，用来吸热或放热，这样便可以把水从含水土层周围得到换热回到井中完成流动。圆筒温度的减少在热季与寒季的排热，是井水回到平常的操作条件同时提高系统性能。我们将在完全保温井上做些研究。另外，在稳态传热方面在在立式同心井和井周围圆柱热泵。封闭性使得解析道出了地面而活同心换热器。对一个短暂的热量和质量以及在热量和质量以及在热泵系统迁移的实验进行了调查。安装了两口井，一个15米的深度和其他在三百二十五米要在大型商业系统中使用的制冷量为70千瓦。立柱井进水口钻孔边界立柱井出水口地表多孔介质热泵进水端热泵出水端图1 多孔介质
8、包围的立柱井运行原理通过一个简化的数学模型进行推导，分析周围的热井含水层的耦合的热传导和对流液压能量转移，地面的热量和水流量在径向方向的假设，一项研究在超临界水下进行的在井下使用潜水泵。一个SCW的二维数值模型进行了研究.给模型是用于研究参数井性能的最重要的影响。结果表明，地下水的流失率是提高良好性能参数，本文提出了一种模式，除了它具有能量质能方程无量纲形式，其中一个参数的研究，可以轻松完成，更有效地解决。本文提出了一种模式有点类似里斯等人。模型，除了它具有能量方程无量纲形式，其中一个参数的研究，可以轻松完成，更有效地解决。我们所提出的模型是一个一维的，这是不计算比二维里斯等人的要求。它使用一
9、个网格生成技术，如一个在井壁细网格，可（在显着地方）和课程电网不显着的地区使用。最重要的是，参数研究着重于与约旦的参数。m1月 4月 10月 7月图2约旦，安曼，阿利亚王后机场地下温度时间分布2 约旦的地热资源约旦在国内有巨大的以地下热水（温泉井）为形式地地下能源资源。然而，在约旦却只用在了治疗和旅游业上。由于约旦完全依赖进口石油来解决能源问题，所以有严重的能源问题，这使得它在预算上有很大的负担。把温泉作为地热能源的主要形式，温度从20摄氏度到62摄氏度。这些热井分布在沿约旦河与死海地堑东悬崖（200公里）。有大约100口热井在死海和裂谷盆地与裂谷盆地还有东北约旦和女王阿利亚以南地区，水温一般
10、为中低温。 （1）其中：s是土壤热扩散率，Tm为平均气温，Ta为空气温度=1/2（Tmax,Tmin）温度振幅和tcd是一年中最冷的一天等等，（1）适用于阿利亚王后国际机场在安曼，约旦。结果列于图2它显示了计算一月，四月，七月和十月的地下温度分布。例如，一月份温度高，七月份温度低。在一个约30米深度年平均温度保持在16摄氏度左右。这个温度被认为是个良好的加热和冷却温度。另一方面，今年，各地的地下土壤，都提出了相同的位置如图3得到的模型结果与实验一只，温度波动随深度变化而变化。表1约旦的热泉水井温泉的位置流率（m3/h）温度范围（。C）温泉Himmeh Thermal spring2828-43
11、Abu Thableh1737Deir Alla thermal spring1735Wadi Hisban-32Jerash1028Ain El Hammam36El Dachruk (Zarqa river) C A in 34 Suweimeh34Suweimeh27Ain Ez Zarqa20-34Zarqa Main (60 thermal springs63Burbeita38Afra springs50-10044-48Zara (45 thermal springs)53Zara 180054Zara 226759Wadi Ibn Hammad springs35Weidaa
12、Thermal spring32North Shauna well35057Kafrain wells33-36井Zara and Zarqa main exploration wellsA GTZ 2D68.5B GTZ 3D57TSD1 well Ghor El Haditha area400503 立式圆筒井 立式圆筒井在温泉井的地方是一种最好的选择，这个模拟的三维模型如图4所示。以下是部分解释：3.1 以为立柱井模型用计算机直接模拟二维或三维的模型是比较繁琐的。直接设计数值模拟和能量计算是不太可能的。然而，目前一维模型在计算时间方面显得更加实用。本模型应用了类似的方程如瑞斯等人。月份
13、1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12图3 阿利亚王后国际机场一年中地下温度分布钻孔多孔介质到达热泵排出热泵图4 立柱井的一维模型做一下修改：本方法没有使用两维模型在有限体积法，而是一维有限差分法；目前的方程已变成无量纲形式，允许非三维参数的研究，已达到容易完成的目的。这种模型的应用使目前的工作一方面变得简单，另一方面变得快捷。本模型具有以下假设：多孔介质均匀，各项同性；远端温度为定值（等温表面）；并流水围绕着一个钻孔，如图4所示。假设水流在竖直方向没有热量和水量的流动，并且井深与井径比很大，在大多数条件下可以使用这个程序，一般分为两步完成：第一，一维能量方程为井孔周围介质（平流
14、扩散方程）解决了有限差分法。已经发现分布从远端到钻孔的温度分布；第二，井内的流体可以看为一个整体。然后，使用能量平衡方程查到回到热泵的液体温度。3.2 控制方程 多孔介质中在径向方向上有或没有流量，能量方程可以写为： （2）式中： （3） （4） （5） Keff有效传热系数（W/mK）；l水的密度(kg/m3)；s固体的密度；Cpl水的比热；Cps固体的比热；n为孔隙度，并且引入了无量纲量： （6）式中：T是远端温度；rb是钻孔半径；Vrb是地面钻孔平均速度；代人无量纲量得： （7）且 （8）其中： （9）pe是peclet数；Vr是Keff/qcp的值；然后，最后的能量方程（无量纲）形式变
15、成： （10） （11）届时，能量方程为无量纲形式，如式12 （12）3.2.1 方程式的转变 下面的变换图转让到非物理域进入计算域，如图5所示。定义代入方程12得： （13）式中：；是计算坐标。计算域物理域（无量纲）图5 物理域与计算域的转变3.2.2地下水流速 地下水平均流速用连续性方程计算得： （14）在钻孔 （15）式中：流率是流量占总流量的质量分数；是质量流率；L是钻井深度；是钻孔液体密度；泄放率是始终为负数。规范的钻井速度产生的径向水流速度。 （16）利用计算域转换为： （17）去掉星号： （18）3.3 边界条件 下列边界条件适用于：3.3.1 远端边界条件At (物理域)At
16、(非物理域)At (计算域)式中：R1为远端半径；T1为远端温度。3.3.2 钻孔边界条件 井下热平衡条件，热量从井壁的到井眼导热速度，即流体的热量。物理维域： (19)式中：Tb为钻孔温度；Tf为钻孔平均温度；Rb井的热阻。物理非维域： （20）计算域： (21)一个松弛因素应用到了热通量上，形式如下： （22）式中:qold次迭代热通量；rf松弛因素；Tf,in为返井水温；Tf,out为出井水温；Tb钻孔表面温度。此方程解决了全隐式有限差分法。3.4立柱井出水温度 考虑到地下水的流率，能量平衡以及立柱井中的平均水温。Tf可以写为如下形式： （23） 使用上面的公式，立柱井的出水温度为： (
17、24)控制体周围的能量平衡如图6所示。水的能量平衡方程可写为： (25)水从周围多孔介质进入钻孔时温度Tb；带入25式得： （26）利用无量纲参数 在离散方程（26）左边使用差分法。平均水温Tf在时间t式是知道的，在时间是未知的。 （27） （28）将平均水温带入（27）式计算得到（28）计算得出水温度。包围钻孔的控制体来自地下水排出热泵到达热泵图6 钻孔模型中的能量平衡表2研究中的数据序号（kg/s）空率（%）渗透率（%）(。C)（m） (。C)ReNu11.30.2750.13065711035486210.2750.130657848838930.50.2750.13065742442.
18、740.20.2750.13065716984651.30.2750.23065711035486610.2750.230657848838970.50.2750.230657424420680.20.2750.230657169846910.150.13065784883891010.10.13065784883891110.050.13065784883891210.050.1206578488389130.20.050.130657169846140.20.050.120657169846150.13870.10.130657117716160.13870.2750.1306571177
19、16170.13870.050.130657117716180.13870.150.130657117716190.20.050.340657169845200.20.050.240657169846210.20.050.140657169846220.20.050.0140657169846230.20.050.00140657169846240.50.050.014065742442062510.050.01406578488389260.20.050.0150657169846270.20.050.150657169845280.50.050.015065742442062910.050
20、.015065784883883010.050.1506578488386310.50.050.1506574244204320.50.050.1406574244205330.50.050.1306574244206340.50.050.12065742442063510.050.1406578488387360.20.2750.330657169844370.50.2750.33065742442013810.2750.3306578488381391.30.2750.33065711035470400.50.050.3406571698193410.50.050.240657424419
21、6420.50.050.1406574244200430.50.050.01406574244203440.50.050.0074065742442044510.050.34065784883644610.050.24065784883704710.050.14065784883784810.050.014065784883854910.050.007406578488386500.50.050.1406574244202510.50.10.1406574244203520.50.150.1406574244203530.50.2750.14065742442043.5 钻孔阻力和对流系数 钻
22、孔组立刻按下式计算： （29）对流换热系数可用下式计算： （30）式中：是导热率；是Bhatti和Shah两地的努塞尔数。 （31） （32）式中： （33） （34）式中：为摩擦系数，其雷诺数的范围是 （35）此外，对于 R2300的情况下，其中，e是钻孔表面粗糙度，Re和Pr分别是雷诺数和普朗特数。4 结果和讨论该模型的参数分析，前面对50多个案例做了调查。研究参数列于表2.这项研究的能源是在地下抽取的（冬季稳态条件下）。固定参数总结在表3。图7显示了函数的时间稳态模拟。在这次模拟中，整体运行中，设立了60万个步骤。图8显示了出口温度随雷诺数的变化情况。水的出口温度随热泵的流量的增加而升高
23、。图9显示了远端温度对出水温度的影响。雷诺数减小出水温度将升高。图10显示了流率与水温的关系。出水温度随地下水流率增加而增加。在高要求的热量抑制（冷却）或吸收（加热），如果井水温度改变（上升或下降），然后抽取部分水进入立柱井。表3本研究中的参数参数值立柱井深，320m井孔半径，rb 0.075m钻孔表面粗糙度，0.0015m水的密度，w1000kg/m3土壤密度，s2700kg/m3水的导热率，Kw0.6W/m。C土壤导热率，Ks3W/m。C水的比热容，Cpw4189J/kg。C土壤的比热容,Cps1000J/kg。C时间步长图7稳态条件下的出水温度和时间的关系雷诺数进口温度渗透率，%图8 出
24、口温度与雷诺数的关系进口温度图9 远端温度与进口温度的关系进口温度渗透率，%图10 不同渗透率下的出口温度孔隙度进口温度图11 孔隙度与进口温度的变化关系然后从周围含水层流入并弥补流出系统的水量。这一过程会在冬季加热井水升高温度，夏季冷却井水。该技术在某种程度上使井水温度满足正常的操作条件并且提高立柱井的性能。排出的水可以改为家庭用水。图11显示了出口温度变化，冬季从立柱井返回到热泵（加热模式）周围空隙含水层。随空隙率增大，出口温度降低。图12显示了努塞尔数对的出井水温的影响。渗透率，%努塞尔数进口温度图12 努塞尔数对出口温度的影响努塞尔数雷诺数渗透率，%图13 雷诺数与努塞尔数的变化关系图
25、13显示了雷诺数和努塞尔数之间的关系。努塞尔数随雷诺数增加根据三项多项式得： （36）Rees等，2004现在的工作渗透率，%图14 2004年与现在渗透率和出水温度影响的对比图14 显示当前研究结果与里斯等人的结果的比较。两种研究都显示了出水温度随流率的变化趋势。出水温度并不随流率增加成线性的增加。5 结论 立柱井一维参数的研究已开始运用数值有限差分法。制热模式（冷季）的模拟研究。受雷诺数（质量流量），远端温度等的影响，流率和周围都孔介质孔隙率一直在稳定状态下进行分析。泄放比和远端温度增加从立柱井返回热泵的出水温度，增加孔隙度、努塞尔数和雷诺数会降低出水温度。 目前与他人已经发表的模型进行了比较，显示关于立柱井出流失率作为一个函数温度关系类似的趋势。出口温度上升并不与流率增加成线性关系。致谢作者感谢Abdul Hameed Shoman Fund通过的项目科研“地热能源建模过程在约旦的应用”给予的财政支持，同时也对哈西姆大学的支持表示感谢。参考文献（见原文）
