卜憲標(biāo)，冉運(yùn)敏，李華山，張冬冬，雷軍民，王令寶

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640; 2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640; 3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 5.即墨熱電廠，山東 青島 266200; 6.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314)

我國(guó)北方地區(qū)冬季常出現(xiàn)霧霾天氣，供暖會(huì)進(jìn)一步加劇霧霾的污染程度?，F(xiàn)階段這一地區(qū)對(duì)清潔能源供暖技術(shù)需求迫切。地?zé)岷吞?yáng)能作為清潔可再生能源，在北方供暖中越來越受到重視。

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種單井地?zé)峁┡?single well geothermal heating，SWGH)系統(tǒng)，井深一般2～3 km，采用同軸套管結(jié)構(gòu)。SWGH系統(tǒng)為全封閉循環(huán)，通過金屬井壁與圍巖換熱，不采地下熱水，不會(huì)出現(xiàn)腐蝕結(jié)垢、回灌等問題，備受市場(chǎng)歡迎。從經(jīng)濟(jì)層面考慮，目前SWGH較多選用廢棄油氣井作為開發(fā)對(duì)象[1]?？讖埖萚2]分析了地?zé)釂尉畵Q熱的技術(shù)原理并對(duì)其換熱量進(jìn)行了評(píng)估。Cheng等[3-6]對(duì)地?zé)釂尉畵Q熱進(jìn)行了深入研究，分析了地溫梯度、注入溫度和運(yùn)行時(shí)間等對(duì)采出水溫度和功率的影響。Roksland等[7]對(duì)廢棄井采出地?zé)崮苓M(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了工質(zhì)密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)采出溫度的影響。Kujama等[8]通過建立傳熱方程研究了單井地?zé)岬膿Q熱情況，討論了不同速度的循環(huán)流體所對(duì)應(yīng)的采出熱量。中石油華北油田新留檢1井進(jìn)行的地?zé)崴_采試驗(yàn)表明[9]：該井可實(shí)現(xiàn)平均日產(chǎn)液1 932 m3/d，井口溫度116 ℃，表明老油井轉(zhuǎn)為地?zé)峋M(jìn)行地?zé)衢_發(fā)利用是可行的。

太陽(yáng)能供暖在我國(guó)已有較多應(yīng)用[10-11]。由于這種供暖形式需要配備輔助熱源或者跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，導(dǎo)致其造價(jià)較高[12-13]。Bouhal[14]對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析評(píng)估。為解決太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)不連續(xù)運(yùn)行且造價(jià)高的問題，一些學(xué)者提出采用地源熱泵聯(lián)合太陽(yáng)能供暖。李素芬[15]、胡松濤[16]分別在理論上研究了地源熱泵聯(lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的特性和運(yùn)行方式。楊婷婷[17]、楊衛(wèi)波[18]分別通過實(shí)驗(yàn)分析了地源熱泵聯(lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的性能和節(jié)能效果。

地源熱泵聯(lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)可在一定程度上解決太陽(yáng)能單獨(dú)供暖時(shí)的儲(chǔ)熱問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)造價(jià)。北方很多地區(qū)冬季有供暖需求，而夏季無供冷需求，或者有供冷需求但采用單體空調(diào)解決。因此，對(duì)于SWGH同樣存在冬季取熱造成的地下巖體溫度衰減的問題[19]。如果將單井地?zé)崤c太陽(yáng)能結(jié)合，二者聯(lián)合冬季供暖，非供暖季將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在地下巖體內(nèi)，既補(bǔ)充了冬季取熱造成的巖石熱虧空，又有效提高了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)全年使用時(shí)數(shù)，同時(shí)可解決非供暖季集熱器面臨的悶曬爆管問題。

對(duì)于單井地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，有2個(gè)核心問題需要解決: 1)二者的功率如何匹配才能確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；2)聯(lián)合系統(tǒng)的性能如何。本文建立了單井地?zé)岽嫒嵋约疤?yáng)能集熱器和熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從理論上分析單井地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的性能，為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。

1 單井地?zé)峁┡到y(tǒng)原理及數(shù)學(xué)模型

1.1 單井地?zé)峁┡到y(tǒng)原理

單井地?zé)峁┡叵氯岵糠值脑砣鐖D1所示，該部分主要包括巖石、井壁和保溫管。井壁和保溫管組成的環(huán)空部分作為注入井，保溫管作為采出井，注入井底封死。取熱時(shí)低溫流體從注入井流入，到達(dá)井底后反向從采出井流出，注入流體通過井壁和巖石換熱，這相當(dāng)于一個(gè)井下?lián)Q熱器(也叫深井換熱器)。儲(chǔ)熱時(shí)高溫流體從保溫管注入，從井壁和保溫管組成的環(huán)空流出。

圖1 地?zé)釂尉畵Q熱原理Fig.1 Diagram of geothermal single well principle

地?zé)釂尉?lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的原理如圖2所示，主要包括太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱、地?zé)釂尉?、熱泵機(jī)組以及循環(huán)泵和閥門等。冬季供暖模式為閥門1、2、4和6開，3和5關(guān)；非供暖季儲(chǔ)熱模式為閥門3和5開，1、2、4和6關(guān)。冬季供暖時(shí)，太陽(yáng)能系統(tǒng)和熱泵機(jī)組分別向房間供暖，供回水溫度45 ℃和40 ℃。非供暖季，太陽(yáng)能集熱器將90 ℃的熱水注入地?zé)峋a(bǔ)充地下巖石的熱虧空。

圖2 地?zé)釂尉?lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)原理Fig.2 Heating system theory of geothermal single well combined with solar energy

1.2 數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要包括注入井和采出井中流體的流動(dòng)和換熱方程、巖石的能量方程[20-23]、太陽(yáng)能集熱器的效率和熱泵的性能。

1.2.1 采出井中流體的流動(dòng)換熱方程

采出井中流體的流動(dòng)換熱方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：T1為采出井中流體的溫度，℃；V1為采出井中流體流速，m/s；S12為采出和注入井之間的傳熱，℃/s；T2為注入井流體的溫度，℃；b1為保溫管的厚度，m；r1、r2為保溫管內(nèi)、外半徑，m；A1為采出井流通面積，m2；λ1為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；kL為單位長(zhǎng)度傳熱量，W/(m·℃)；h1、h2為采出井內(nèi)、外壁對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ρ為水的密度，kg/m3；CP為水的比熱，J/(kg·℃)。

1.2.2 注入井中流體的流動(dòng)換熱方程

注入井中流體的流動(dòng)換熱方程為：

(4)

(5)

式中：S23為流體和井壁之間的傳熱，℃/s；V2為注入井中流體流速，m/s；T3為與流體接觸的井壁溫度，℃；h3為內(nèi)井壁對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；r3為金屬井內(nèi)半徑，m；A3為注入井流通面積，m2。

1.2.3 巖石的能量方程

巖石的能量方程為：

(6)

式中：T4為巖石的溫度，℃；λ4為巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρ4為巖石的密度，kg/m3；C4為巖石的比熱，J/(kg·℃)；r4=r3+b4為金屬井外半徑，m，其中b4為金屬井壁厚度，m。

1.2.4 對(duì)流換熱系數(shù)

流體和管壁的對(duì)流換熱系數(shù)采用Dittus-Boelter公式[24-25]進(jìn)行計(jì)算。

注入井中流體的對(duì)流換熱系數(shù)h2和h3計(jì)算式為：

(7)

采出井中流體的對(duì)流換熱系數(shù)為：

(8)

式中de為水力直徑，m。

文中注入和采出井中流體的Re、Pr以及井的結(jié)構(gòu)參數(shù)均滿足Dittus-Boelter公式。

1.2.5 邊界條件

巖石傳給井壁的熱量等于井壁傳給流體的熱量，三者的接觸處采用第三類邊界條件給出，即：

(9)

徑向方向100 m的巖石邊界視為絕熱。

1.2.6 真空管集熱器的效率

真空管集熱器的效率[26]為：

(10)

式中：η為真空管太陽(yáng)能集熱器的效率；Tm為太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口平均溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃；G為太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，W/m2。

以華北某地為例，冬季太陽(yáng)輻照強(qiáng)度G=600 W/m2，輻照時(shí)間6 h；非供暖季平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度G=750 W/m2，輻照時(shí)間7 h。

1.2.7 熱泵性能

由于單井地?zé)嵯到y(tǒng)全封閉，不存在腐蝕結(jié)垢問題。因此，地?zé)峋牟沙鏊苯舆M(jìn)入熱泵的蒸發(fā)器。在單井地?zé)峁┡r下(45 ℃/40 ℃)，某型熱泵的制熱系數(shù)COP與地?zé)峋沙鏊疁囟萒out(℃)符合如下關(guān)系[27]：

COP=3.063 14+0.109Tout-0.000 37exp(-0.035 79Tout+6.054 3)

(11)

(12)

(13)

式中：QT為熱泵的輸出功率，kW；QE為地?zé)峋娜峁β?，kW；Tin為注入水的溫度，℃；m為注入水的質(zhì)量流量，t/h。

1.2.8 初始條件

地?zé)峋囊?guī)格如下：井管為φ177.8 mm ×6.91 mm，保溫管為φ110 mm×10 mm，井深為3 km。巖石密度為2 700 kg/m3，比熱為1 098 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為3.0 W/(m·℃)。地表溫度為15 ℃，地溫梯度Tg=25 ℃/km。每年供暖120 d，其他時(shí)間巖石恢復(fù)溫度。

1.2.9 求解方法

式(1)、(4)、(6)采用控制容積法的全隱格式進(jìn)行離散。式(1)～(13)采用三對(duì)角矩陣算法(Tri-diagonal matrix algorithm，TDMA)求解，應(yīng)用Matlab軟件編程。時(shí)間和空間步長(zhǎng)為Δt=300 s，Δz=5 m，可變步長(zhǎng)為Δr，越靠近井壁，Δr越小。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 地?zé)釂尉男阅?/h3>

要解決地?zé)崮芎吞?yáng)能的功率匹配問題，首先要明確地?zé)峋某隽柏?fù)荷調(diào)節(jié)能力。為此，文中選擇了3種不同注入溫度和3種不同注入流速用于計(jì)算地?zé)峋粋€(gè)供暖季的出力，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在圖3中，2.5-0.5表示注入溫度2.5 ℃，注入流速0.5 m/s；5.0-1.0表示注入溫度5.0 ℃，注入流速1.0 m/s，其他以此類推，并將每一種運(yùn)行工況稱為一種運(yùn)行模式。由圖3可知，在一個(gè)供暖季內(nèi)，地?zé)峋峁β蔘E隨時(shí)間衰減，衰減速率先快后慢。注入水溫度和流速對(duì)QE有很大影響，在注入水溫度不變的情況下，QE隨注入水流速的提高而增加，但增幅在降低。在第1個(gè)供暖季末，注入溫度2.5 ℃工況下的3種注入流速對(duì)應(yīng)的QE分別為545.62、599.72和619.56 kW。流速?gòu)?.5 m/s增加到1.0 m/s時(shí)，QE增加54.10 kW；流速?gòu)?.0 m/s增加到1.5 m/s時(shí)，QE增加19.84 kW。可見QE隨流速的增加，增幅在降低。注入流速為1.0 m/s時(shí)，3種注入溫度對(duì)應(yīng)的供暖季末的QE分別為599.72、570.70和541.68 kW，即注入溫度變化2.5 ℃，QE變化約29 kW。

圖3 第1個(gè)供暖季地?zé)峋峁β蔉ig.3 Variations of QE with the time in the first heating season

采出水溫度隨注入水溫度和流速的變化如圖4所示，可見，在注入水溫度和流速不變的情況下，采出水溫度隨時(shí)間降低。在同樣流速下，注入水溫度高采出水溫度也高；在同樣注入溫度下，注入流速越低，采出水溫度越高。

圖4 第1個(gè)采供暖季采出水溫度Fig.4 Variations of Tout with the time in the first heating season

根據(jù)式(11)和式(12)計(jì)算出的熱泵輸出總功率QT如圖5所示。圖5中QT的變化趨勢(shì)與圖3中QE的變化趨勢(shì)一致。如第1個(gè)供暖季末注入溫度2.5 ℃時(shí)，3種流速對(duì)應(yīng)的QE分別為545.62、599.72和619.56 kW。根據(jù)式(11)計(jì)算的COP分別為5.72、4.59和4.15。式(12)中的系數(shù)COP/(COP-1)分別為1.21、1.28和1.32，QT分別為661.12、766.84和815.97 kW。由上述分析可知，熱泵的輸出功率QT主要是由QE的大小決定的，也就是由地?zé)峋倪\(yùn)行模式?jīng)Q定。

圖5 第1個(gè)供暖季的熱泵輸出功率Fig.5 Variations of QT with the time in the first heating season

通過上述分析可知，地?zé)峋蜔岜玫妮敵龉β手饕怯勺⑷胨疁囟群土髁繘Q定的。圖5中，一個(gè)供暖季末，熱泵輸出功率QT的最大值和最小值相差223.50 kW，這說明地?zé)峋哂袑挼呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力。在地?zé)岷吞?yáng)能聯(lián)合供暖時(shí)，利用地?zé)岬膶捸?fù)荷調(diào)節(jié)能力可以解決太陽(yáng)能輸出熱量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，確保供暖系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中僅給出3種注入溫度和3種注入流速，而在實(shí)際工程中，可以選擇多種注入溫度和流速，地?zé)岬呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力會(huì)更大，調(diào)節(jié)也更方便。在不另建地面儲(chǔ)熱設(shè)施的條件下，要確保太陽(yáng)能和地?zé)崮艿妮敵鲐?fù)荷穩(wěn)定，太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性要全部靠地?zé)崮苓M(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，二者的匹配原則是基于地?zé)釂尉呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力。在這種匹配原則下，夜間或太陽(yáng)能輻照變化引起的負(fù)荷變化均可以由地?zé)崮苓M(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 太陽(yáng)能與地?zé)岬钠ヅ?/h3>

由圖5可知，運(yùn)行模式7.5-0.5對(duì)應(yīng)的QT最小，2.5-1.5對(duì)應(yīng)的QT最大，兩者的差即為地?zé)釂尉呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力。在供暖季始末，供熱負(fù)荷較小時(shí)，可以采用小功率的運(yùn)行模式匹配太陽(yáng)能進(jìn)行供暖，如采用7.5-0.5、5.0-0.5或者2.5-0.5的運(yùn)行模式。在供熱負(fù)荷較大時(shí)，采用5.0-1.0的模式匹配太陽(yáng)能進(jìn)行供暖；在晚上或者陰雨天太陽(yáng)能不能保證時(shí)，采用5.0-1.5、2.5-1.0或者2.5-1.5的模式運(yùn)行。為保證地?zé)崮苡凶銐虻呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力的同時(shí)也能運(yùn)行在較優(yōu)的工況，將5.0-1.0定為基礎(chǔ)的運(yùn)行模式，由最大功率2.5-1.5的運(yùn)行模式與基礎(chǔ)模式的功率差來確定太陽(yáng)能的熱負(fù)荷。按第1個(gè)供暖季末的工況來計(jì)算，2.5-1.5運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的QT為815.97 kW，5.0-1.0模式對(duì)應(yīng)的QT為720.81 kW，兩者相差95.16 kW。按95 kW的功率設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器。按供/回水45 ℃/40 ℃，考慮輻照強(qiáng)度600 W/m2和時(shí)間，根據(jù)式(10)計(jì)算，需要配置集熱器面積約為270 m2。

2.3 地?zé)崧?lián)合太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的性能

巖石溫度在取熱的過程中會(huì)降低，第1個(gè)供暖季末巖石溫度場(chǎng)如圖6所示。圖6中，Z=500 m表示500 m深處的巖石，其他以此類推。由圖6的趨勢(shì)可得到2點(diǎn)結(jié)論: 1)深度越大，巖石的溫降越大。由于注入和采出水溫度均較低(見圖4)，越靠近下部，巖石和流體的溫差越大，換熱量也越大，導(dǎo)致下部巖石的溫降大；2)靠近井壁處的巖石溫降大，且近井巖石存在很大的溫度梯度。距離井壁越遠(yuǎn)，巖石的溫降越小。這說明巖石的導(dǎo)熱系數(shù)小，無法將遠(yuǎn)處巖石的熱量快速傳導(dǎo)到近井處，致使近井處巖石的熱量得不到有效補(bǔ)充，造成地?zé)峋車鷰r石溫度迅速降低，這是地?zé)釂尉峁β市〉淖钪饕?。因此，提高單井取熱功率的有效手段是?qiáng)化巖石的傳熱性能，特別是近井地帶的巖石，以便將遠(yuǎn)處巖石的熱量迅速傳導(dǎo)到井筒。

圖6 第1個(gè)供暖季末巖石溫度場(chǎng)Fig.6 Rock temperature field in the end of the first heating season

第1個(gè)供暖季結(jié)束后，巖石進(jìn)入非供暖季的熱恢復(fù)階段。如果沒有太陽(yáng)能的補(bǔ)熱，地下巖石的熱恢復(fù)主要靠遠(yuǎn)處高溫巖石將熱量傳導(dǎo)到近井處。經(jīng)過245 d的熱恢復(fù)后，巖石的溫度場(chǎng)如圖7所示。對(duì)比圖7和圖6可知，經(jīng)過非供暖季的熱恢復(fù)，巖石的溫度場(chǎng)特別是近井地帶得到了一定程度的恢復(fù)。深度2 500 m，距離井壁1 m處的巖石，第1個(gè)供暖季開始前、第1個(gè)供暖季末和熱恢復(fù)后的溫度分別為77.5、52.76和74.12 ℃；同樣深度距離井壁5 m處的巖石，在同時(shí)期的溫度分別為77.5、73.55和74.82 ℃。上述數(shù)據(jù)說明，雖經(jīng)8個(gè)多月的熱恢復(fù)，巖石溫度特別是近井地帶仍較原始溫度場(chǎng)低，2 500 m深，距離井壁1 m和5 m處巖石的溫度分別比原始溫度低3.38 ℃和2.68 ℃。

圖7 無補(bǔ)熱工況下第2個(gè)供暖季前巖石的溫度場(chǎng)Fig.7 Rock temperature field before the second heating season without heat supply

采用太陽(yáng)能在非供暖季向地下巖石補(bǔ)熱，屬于太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱，而地?zé)峋喈?dāng)于“儲(chǔ)熱寶”儲(chǔ)存太陽(yáng)能補(bǔ)充自身的熱虧空。圖8為經(jīng)過245 d的太陽(yáng)能補(bǔ)熱后巖石的溫度場(chǎng)。在太陽(yáng)能補(bǔ)熱工況下，近井地帶巖石熱恢復(fù)的熱量來自于2個(gè)方面，1)遠(yuǎn)處的高溫巖體，2)太陽(yáng)能集熱器的熱量。比較圖8和圖7可知，太陽(yáng)能補(bǔ)熱可使靠近井壁的巖石更好地恢復(fù)溫度。圖8中，2 500 m深度，距離井壁1 m和5 m處巖石的溫度分別為75.26 ℃和75.09 ℃，與圖7中同樣位置的巖石(溫度分別為74.12 ℃和74.82 ℃)相比，溫度分別提高1.14 ℃和0.27 ℃。

圖8 有補(bǔ)熱工況下第2個(gè)供暖季前巖石的溫度場(chǎng)Fig.8 Rock temperature field before the second heating season with heat supply

為了獲取在地?zé)崤c太陽(yáng)能聯(lián)合供暖情況下，供暖季地?zé)峋娜峁β首兓闆r，本文模擬計(jì)算了10個(gè)供暖季內(nèi)有無補(bǔ)熱工況下地?zé)峋娜峁β?，如圖9所示。圖9中QE指一個(gè)供暖季內(nèi)取熱功率的平均值。由圖9可得出3點(diǎn)結(jié)論：1)補(bǔ)熱工況下的QE均大于無補(bǔ)熱工況下的QE，二者之差隨時(shí)間在增大；2)太陽(yáng)能在非供暖季的補(bǔ)熱可以減緩QE隨時(shí)間的衰減程度；3)無論有無補(bǔ)熱，QE均隨著時(shí)間衰減。

圖9 有補(bǔ)熱與無補(bǔ)熱工況下平均取熱功率對(duì)比Fig.9 Comparison of average heat output power between with and without heat supply

結(jié)合圖9，在數(shù)值上分析太陽(yáng)能補(bǔ)充的熱量與供暖季多取出的熱量。假設(shè)非供暖季平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度G=750 W/m2，輻照時(shí)間7 h，245 d內(nèi)太陽(yáng)能儲(chǔ)存在巖體中的熱量為751.46 GJ。第2和第10個(gè)供暖季有補(bǔ)熱工況較無補(bǔ)熱工況多取出的熱量分別為85.54 GJ和141.21 GJ。上述數(shù)值分析表明，非供暖季補(bǔ)充的熱量遠(yuǎn)大于供暖季多取出的熱量，這說明太陽(yáng)能的補(bǔ)熱不能大幅提高取熱功率。

造成這種現(xiàn)象的本質(zhì)原因：以第2個(gè)供暖季為例，補(bǔ)熱階段，熱量從井壁向遠(yuǎn)處巖石傳遞的時(shí)間跨度為245 d，熱影響距離為9.26 m；取熱階段，熱量從遠(yuǎn)處巖石傳遞到井筒的時(shí)間跨度為120 d，熱影響距離為6.48 m。而且，在供暖季，補(bǔ)熱產(chǎn)生的熱影響距離仍在向外延伸，第2個(gè)供暖季末，太陽(yáng)能補(bǔ)熱造產(chǎn)生熱影響距離達(dá)到11.30 m。另外，在地?zé)釂尉嫒岬倪^程中，熱量的傳遞主要靠巖石的導(dǎo)熱，由于巖石的導(dǎo)熱系數(shù)小(僅為3.0 W/(m·℃))，在第2個(gè)供暖季導(dǎo)熱熱阻為29.65×10-2m·℃/W，遠(yuǎn)大于井壁的導(dǎo)熱熱阻和井內(nèi)的對(duì)流熱阻(分別為7.90×10-4m·K/W 和8.16×10-4m·K/W)，這說明以巖石導(dǎo)熱為主的地?zé)釂尉鏌岷腿峋艿綐O大限制。根據(jù)傳熱學(xué)原理，對(duì)流換熱的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于導(dǎo)熱，因此解決該問題的最終途徑為用換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)熱的對(duì)流換熱代替巖石的導(dǎo)熱，可確保熱量存得進(jìn)取得出。如可將地?zé)峋蛟谟械叵聼崴牡胤?，或者在致密巖石區(qū)人造多孔體系，靠地下流體的流動(dòng)，或者在存取熱過程中以溫差引起自然對(duì)流來提高單井換熱。

3 結(jié)論

1)地?zé)峋峁β逝c熱泵輸出功率的調(diào)節(jié)主要受注入水溫度和流速控制，通過改變注入水溫度和流速，可以調(diào)節(jié)地?zé)釂尉妮敵龉β省?/p>

2)單井地?zé)峋哂袑捸?fù)荷調(diào)節(jié)能力，熱泵輸出功率的最大值和最小值相差223.50 kW。在地?zé)岷吞?yáng)能聯(lián)合供暖時(shí)，利用地?zé)岬膶捸?fù)荷調(diào)節(jié)能力可以解決太陽(yáng)能輸出熱量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，確保供暖系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中僅給出了3種注入溫度和3種注入流速，在實(shí)際工程中，可以選擇多種注入溫度和流速，地?zé)岬呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力會(huì)更大，調(diào)節(jié)也更方便。

3)太陽(yáng)能集熱器的功率和面積由地?zé)岬呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力決定。3 km深地?zé)峋?，熱泵平均輸出功?20.81 kW，匹配的太陽(yáng)能集熱器功率約95.00 kW，占熱泵輸出功率的13.18%，集熱器面積270 m2。

4)非供暖季的儲(chǔ)熱雖不能明顯提高供暖時(shí)的取熱功率，但可以緩解取熱功率隨時(shí)間的衰減。