兰州市应用中深层地源热泵系统供暖的技术可行性＊

2023-10-30陈秀清

甘肃科技 2023年9期

郭刚，闫飞，陈秀清

（1.甘肃智广地质工程勘察设计有限公司，甘肃兰州 730000；2.兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州 730000）

1 引言

近20年来，中深层（1 500～3 000 m）地热能作为一种清洁、可持续的中低品位热能，受到了持续且广泛的关注。特别在清洁供暖领域，国家在战略和政策层面均给予了大力支持[1]。与浅层地热能相比，中深层地热资源具有地温稳定、开采利用占地面积小、对地质条件要求较少、不污染地下水、生态影响小等诸多优点，尤其适用于年冷热负荷严重失衡的严寒、寒冷地区[2]。

目前，开采中深层地热能的技术/设备形式主要有2种，即同轴套管式换热器和U形钻孔换热器（图1）。其中U形钻孔换热器是近些年发展迅速的新技术，其标称取热量通常在1 000 kW以上，约为相同开采条件下同轴套管式换热器取热量的2倍。同时，尽管U形钻孔的施工成本较高，其单位长度的循环流体压降却比同轴套管式换热器低得多。随着钻孔技术的进步，U形钻孔的施工成本将被控制在合理范围内，而其出色的取热能力和流动特性注定其成为中深层钻孔换热技术的主流[3]。

图1 2种开采中深层地热能的技术/设备形式

甘肃省境内中深层地热资源分布并不均匀，总体上呈中部高，东、西部低的分布规律。若以60 mW/m2大地热流值为分区界线，低热流区主要分布在永登县—临洮县以西和靖远县—定西市以东的地区；高热流区主要分布在两者之间的地带。此外，在民和县东北部还存在一个小范围的孤立高热流区，已有地热井投入开发利用。榆中县—白银市一带存在一个椭圆形高热流区，大地热流值高于65 mW/m2，高于中国大陆地区大地热流的平均水平（61.5 mW/m2）。因此，该区域是兰州地区开发利用中深层地热资源的主要选区。

2 系统原理

中深层地源热泵与传统地源热泵的制热原理一致。两者的区别在于热泵系统的地下换热回路。以中深层U形钻孔换热回路为例，从热泵蒸发器流出的低温水进入U形钻孔换热器的回水管，一路下行至中深层岩体，继而水平或倾斜流动至最低处，转而一路上行，从U形钻孔换热器的出水管流出。此时，原本低温的回水已被岩土加热至中温水平，返回热泵蒸发器并向制冷剂释放热量，继而再次成为低温水进入U形钻孔换热器，完成一个闭式水循环。蒸发器中的制冷剂吸收U形钻孔换热器循环水中的热能，转变为低温低压的饱和蒸汽进入压缩机，经压缩后成为高温高压的过热蒸汽，经冷凝器向用户侧循环热水释放热量，达到供暖目的。释放热量后的制冷剂凝结为液体，进入膨胀装置，成为低温低压的制冷剂两相混合物，再次进入蒸发器吸收来自U形钻孔换热器循环水中的热能，完成一个热泵循环。图2为中深层地源热泵系统原理。

图2 中深层地源热泵系统原理

与传统地源热泵相比，中深层地源热泵的蒸发温度提高了10°C以上，显著减小了压缩机的功耗，提升了制热能效，也改善了热泵系统运行的可靠性和经济性。

3 分析方法

3.1 地下传热模型

U形钻孔换热器的传热效能是影响中深层地源热泵性能的核心因素。在分析热泵性能之前，非常有必要明确U形钻孔换热器的传热特性。

U形钻孔换热器的传热过程跨越多个时空尺度数量级。为保证计算过程稳健，须适度简化其传热模型如下：1）地下岩土层的传热机制仅有热传导；2）所有传热介质均视为均质或分层均质，其热物理性质不随温度变化；3）大地热流从地球内部传递到地表，产生了均匀向上的低温梯度；4）地表温度的全年变化符合谐波规律，不考虑地下水的影响；5）下降钻孔、水平/倾斜钻孔和上升钻孔周围岩土的传热不存在相互影响；6）U形钻孔换热器进出口温差取决于蒸发器负荷。

U形钻孔换热回路内循环水的初始条件与边界条件如下：

U形钻孔周围岩土的初始条件与边界条件如下：

U形钻孔换热器管道内循环流体的能量方程根据等效热阻法建立：

岩土体的能量方程，须引入一个变量代换如公式（4）所示，以合理分配网格密度，增强求解过程的稳健性。经线性变换后，岩土体能量方程如式（5）所示。

式中各变量的物理意义及其取值规则可参考文献[4]。部分物性参数，可根据文献[5]和普查结果确定。据此可计算中深层U形钻孔换热器在兰州石佛沟应用的传热特性。

3.2 系统性能评价

在了解U形钻孔换热器传热性能的基础上，应用热力学完善度评价中深层地源热泵系统在任意时期的运行效果。热力学完善度由效率定义，表征系统获得与付出的比值如式（6），可提供跨工况、跨场景的方案比较：

4 结果分析与讨论

根据已有研究和实际项目提供的数据，结合本地的地热资源和经济状况，兰州石佛沟地区中深层U形钻孔换热器的钻孔深度应在2 500 m为宜，水平/倾斜段长度应在600 m为宜。钻孔换热器内循环水流量应在60 m3/h为宜。据此计算钻孔换热器的取热能力、热泵系统的供热效能。

图3反映了不同大地热流条件下，中深层U形钻孔换热器的取热能力。如图3所示，所研究区域的大地热流值处于65～70 mW/m2，对应取热能力1 130～1 200 kW。该值与国内外已有项目数据基本一致，说明石佛沟地区满足中深层地热资源开发的初步要求。

图3 大地热流对钻孔换热器取热能力的影响

图4反映了1个供暖周期内钻孔换热器进出口水温的变化。如图4所示，经历1个完整的供暖季，钻孔换热器进口温度由24.0 °C下降至8.0 °C，出口温度由40.0 °C下降至24.0 °C，进出口温差稳定在16.0 °C。据此设计热泵蒸发器为双级串联模式。

图4 供暖周期内钻孔换热器进出口水温变化

图5反映了1个供暖周期内地源热泵系统热力学完善度的变化，并与空气源热泵系统热力学完善度进行了比较。如图5所示，相比于空气源热泵系统，在供暖稳定后，中深层地源热泵系统的热力学完善度更高，一则说明石佛沟地热品位较好，热泵运行压差较小，压缩机功耗较低；二则说明兰州地区中深层地源热泵系统运行的可靠性优于空气源热泵系统。

图6反映了钻孔周围的岩土温度。如图6（a）所示，在大地热流与钻孔换热器的共同作用下，钻孔周围岩土温度分布总体呈现上低下高的特征。由于计算时假设大地热流垂直于地表向上，图中等温线平行于地平线。此外，越靠近钻孔的岩土温度越低，钻孔换热器取热的影响在钻孔外2 m处已不明显，这是岩土导热系数及其热容量共同影响的结果。

图6（b）反映了U形钻孔底部岩土平均温度的年变化情况。如图6（b）所示，该处平均温度整体上呈现周期变化，最高温度随系统运行时间延长而逐渐下降。当系统运行超过20年后，最高温度的变化已不明显，说明钻孔周围岩土温度分布模式达到稳定。图6（c）以50年为时间窗口观察了U形钻孔底部岩土平均温度的变化。如图6（c）所示，在长时间尺度上，钻孔周围岩土温度的波动可忽略不计，其整体上稳定在55 °C以上，为地源热泵系统长期稳定运行创造了条件。

图7（a）、图7（b）分别显示了中深层地源热泵系统在50年内运行的供热水温及热力学完善度变化情况。如图7所示，热泵系统的供热水温、热力学完善度的年差逐年减小，并在系统运行20年后趋于0，且稳定在较高水平，说明兰州地区中深层地温场自我恢复能力良好，地热资源具备长期开发的条件，能保证地源热泵系统平稳运行。

图7 中深层地源热泵系统长时间运行性能

综上，兰州地区中深层地热资源良好，具备长期开采的条件。使用地源热泵系统开采中深层地热资源可实现“取热不取水”，且取热能力稳定、循环水温波动小、热泵运行压差小、压缩机功耗低、热力学完善度高。更重要的是系统长周期供热运行的可靠性高、能力不衰减，与浅层地源热泵系统相比，中深层地源热泵系统对年冷热负荷不平衡的适应性更强，更适合在严寒、寒冷地区使用。