基于临界水力梯度的地下水源热泵取水井井径分析

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1、文章编号：CAR131基于临界水力梯度的地下水源热泵取水井井径分析王松庆张旭（同济大学暖通空调及燃气研究所，上海200092）摘要本文从微观机理出发以颗粒起动时的临界水力梯度为基础，对地下水源热泵取水井井径进行计算和分析。结果表明临界水力梯度是合理确定取水井井径的重要参数，合理的井径设计有助于防止地下水源热泵使用过程产生井壁坍塌等问题的发生。关键词临界水力梯度地下水源热泵取水井井径ANALYSISONPUMPINGWELLDIAMETEROFGWSHPBASEDONCRITICALHYDRAULICGRADIENTWangSongqing

2、ZhangXu(HVAC&GasInstitute,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)AbstractBasedonthecriticalhydraulicgradientcalculatedwithmicroscopicmechanism,thepumpingwelldiameterofGWSHPiscalculatedandanalyzedtheoretically.Resultsofthisstudyindicatethatthecriticalhydraulicgradientisanim

3、portantparameterusedtodeterminetherationalvalueofpumpingwelldiameter.ItbenefitstopreventsituationsuchasboreholecollapsehappeningasGWSHPoperation.KeywordsCriticalhydraulicgradientGroundwatersourceheatpumpPumpingwelldiameter地下水源热泵作为地源热泵的一种，由于其具有更为稳定的效率、更小的占地面积和更少的初期1颗粒受力情况分

4、析投资，使得该技术备受青睐，在我国很多城市得到了广泛的应用。但随着地下水源热泵的使用，一些从微观机理角度研究地下水渗流对含水层的问题也随之产生，如井壁坍塌及抽灌地下水而引起侵蚀作用，首先要对颗粒的受力情况进行研究。地[1-2]的井壁周围细颗粒介质重组等，这些问题也引下水渗流时，颗粒受到的作用力主要包括拖曳力、起了广泛的关注，如果不妥善解决上述问题，地下颗粒的有效重度和升力。对于粒径较小的颗粒，还水源热泵的发展将受到制约，不利于该技术的发应考虑颗粒间的粘结力。展。产生上述问题的重要原因之一是地下水源热泵1.1拖曳力地下取水量大，连续运行时间

5、长，地下水在渗流过水在渗流时，受到含水层骨架的阻力，同时水程中对含水层产生侵蚀作用，使颗粒起动脱离含水也对土骨架有推力的作用，由地下水渗流引起作用层，起动后的颗粒甚至与地下水一起运动。本文以[3-4]在颗粒上的拖曳力可由如下公式计算得到：该问题产生的微观机理作为研究出发点，基于临界FJ=γV(1)水力梯度对地下水源热泵取水井井径进行计算和Df分析，合理确定取水井的井径，可以有效防止井壁式中：FD---颗粒受到的拖曳力，N；坍塌等情况的发生。r---水的重度，N/m3；f3V---颗粒的体积，m；J---水力梯度。基金项目：国家“十一五”科

6、技支撑项目（2006BAJ01B05）作者简介：王松庆（1982-）男，在读博士研究生1.2粘结力FL对于粒径较大的颗粒，由于粘结力远小于重[5]力，表现为无粘性，可以忽略粘结力的作用。对于粒径小的颗粒（如黏粒），需要考虑颗粒间粘结力。本文所考虑的颗粒为中砂和粗砂，由于粒径较FD大，可以忽略粘结力的作用。1.3有效重度FW浸没在水中的颗粒受到重力的同时，还受到地FLA下水对其的浮力作用，二者之差为颗粒的有效重度，可通过下式计算：DF=−(γγ)V(2)Wsf图1颗粒起动示意图3式中：γ---固体颗粒的重度，N/m。s3基于临界水力梯度的取

7、水井井径1.4升力的计算分析如果颗粒周围水流的真实流速有较大的速度地下水源热泵的取水量与水力梯度，取水井井梯度，则在邻近壁面处会对颗粒产生升力作用，方径，取水段长度及含水层的渗透系数有关，其计算向与重力方向相反。对于粒径大于0.1μm的颗粒可[6]公式如下式所示：以忽略升力对颗粒的作用。同样由于本文所考虑Q=KJπdH(4)的含水层由粗砂和中砂等粒径较大的颗粒组成，所式中：K---渗透系数，m/s；以可以忽略升力对颗粒起动的影响。J---水力梯度；3Q---取水量，m/s；2颗粒起动情况分析H---取水段长度，m；d---取水井井径，m。

8、颗粒起动的方式主要有两种：⑴滑动脱离；⑵[7]当含水层颗粒起动处于临界状态时，通过公式滚动脱离。颗粒脱离壁面起动的影响因素有很多，（2）-（3）计算得到颗粒起动时所需的最小拖曳力，如颗粒几何形