为响应国家节能减排的号召,人们愈发关注如何将储存于空气、地表或地下水等中的可再生能源加以利用。地下水源热泵就是一种节能且高效的地能采集措施。地下水源热泵系统是以地下水作为低位冷热源向建筑物内提供供暖和制冷的一种热泵运用技术。按其回灌形式的不同,主要分为:异井回灌地下水源热泵系统和同井回灌地下水源热泵系统。而同井回灌地下水源热泵系统就目前而言,主要有三种不同的应用形式,其分别为:填砾同井回灌、抽灌同井及循环单井,它们的抽水和回灌均能在同一口井内完成。本文主要研究了填砾同井回灌地下水源热泵系统的运行特性及换热性能,其中研究内容及成果如下:1、开展了填砾同井回灌地下水源热泵系统的现场试验研究工作。现场试验研究表明:(1)填砾同井回灌地下水源热泵系统的单井换热量较其它种类的地源热泵系统高,测试井的单位时间有效换热量为23.3kJ/s,而地埋管系统的单位时间有效换热量为4~7.5 kJ/s。且其能效比高,本次现场测试热源井的能效比最高为6.8,最低为4.35,属于一级能效,而地埋管系统的能效比一般为4~5.2;(2)随抽水流量的增加,测试热源井的换热量相应增加,其增加的量和地下涌水量的大小相关。本次试验,抽水流量由8m3/h增加到14m3/h时,换热量增加2.8kJ/s,地下涌水量增大1.5m3/h;(3)关于热贯通,由于本次测试对象为相对贫水地质条件下的工程井,试验研究过程中发现,当抽水流量在8m3/h时,换热器进出口温差稳定,此时未发现热贯通现象,抽水流量由8m3/h增大到14m3/h时,测试热源井开始出现热贯通,抽水平均温度由17.9℃上升到23.2℃,抽回水温差由2.5℃下降到1.6℃,热贯通由3.9%增大到77.1%;(4)关于热源井成本,地埋管系统的单位井深成本为90~110元/m(其中井深为100m,井孔直径为150mm),填砾同井回灌系统为800元/m(其中井深38m,井孔直径1500mm);地埋管单井换热量为4~7.5kJ/s,填砾同井回灌系统大于等于23.3kJ/s,因此在相同的负荷条件下热源井初投资相对地埋管节约11~42%;(5)关于水质污染,虽然本次现场试验由于受试验条件所限,未做热源井水质检测,但根据原厂家提供的北京某填砾同井回灌工程经过2001年至2012年的运行后,提供的水质检查报告可知,除水温发生变化之外,其余29项水质指标均没有发生明显的变化。2、根据热源井的成井情况和建造工艺,建立了填砾同井回灌地下水源热泵系统的地下水换热及流动的数学模型。(1)通过现场测试数据验证所建数学模型的正确性,模拟的抽水平均温度与实测温度值误差小于1℃,误差范围小于5%;(2)通过验证后的数学模型,改变其抽水流量。得到测试热源井的最佳抽水流量为4~8m3/h,此时抽回水温差为2.5~5℃,该热源井的抽水温度不仅为地下水原始温度(17.8℃),且不会引起热贯通现象(热贯通≤3.9%);(3)地下涌水量与含水层渗透系数比(水平渗透系数/竖直渗透系数)成正比。当渗透系数比由1增大到10时,地下涌水量增大,致使平均抽水温度降低1.1℃。因此热源井宜尽量选择渗透系数比大的区域,或在砾石回填区中设置水平隔板用以减小竖直渗透系数;(4)热源井的取热潜力与含水层的容积比热容成正比。当容积比热容由20003kJ/m?℃变到30003kJ/m?℃时,平均抽水温度降低0.8℃,热源井的取热潜力加大。因此热源井应尽量选择含水层容积比热容大的地带;(5)地下水的热弥散度与热源井的热影响范围有关。当地下水热弥散度由1m变成3m时,平均抽水温度降低0.4℃,热影响范围增大,热源井取热能力同时加大。因此热源井抽水口应设置于地下水流速大的区域。