李振興，李文靜，翟麗娟，張 靜

(1.中國煤炭地質總局水文地質局，河北 邯鄲 056004；2.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101)

0 引 言

地源熱泵技術利用淺層地熱資源進行制冷供暖，具有高效、能源可再生等特點，成為近年來主要的空調技術之一[1]。同時我國政府在國際上承諾我國二氧化碳排放量將在2030年左右達到峰值，并制定了在2020年之前將單位GDP的二氧化碳排放量比2005年減少40%～45%的目標[2]。地熱能資源的利用則可以減少標準煤的消耗以及二氧化碳的排放[3]。地下50～200 m的淺層土壤是地源熱泵地埋管換熱器的主要埋管深度[4]。而利用淺層地熱能進行供熱的熱泵技術最早是在1912年由瑞士人ZOELLY提出的將土壤作為熱泵熱源的專利設想，我國則是在20世紀中期以呂燦仁教授(天津大學熱能研究所)為代表的學者和專家開始研究[5]。經過幾十年的發(fā)展，淺層豎埋單U型地埋管換熱器、雙U型地埋管換熱器在國內已廣泛應用，為建筑清潔能源供暖制冷做出了一定的貢獻，但其缺點仍不可忽視。一方面受冷熱不均衡的影響，導致換熱效率逐年下降；另一方面淺層地埋管存在占地面積大等問題[6]，嚴重制約了其在城市的推廣應用發(fā)展。 隨著上述問題的出現，開發(fā)利用中淺層地熱(200～500 m)逐漸受到重視。THEO[7]曾利用CFD對瑞士地區(qū)套管換熱器進行了瞬態(tài)模擬，得到了通過增加地熱井的深度，可以使取熱量增加。2012年，我國科研人員嘗試使用區(qū)別于傳統(tǒng)淺層地埋管(深度約為200 m)的中深層地埋管換熱器(深度為2～3 km)提取中深層地熱用于建筑供熱，并取得了成功[8]。

中淺層地熱能的熱量主要來自于地球內部向上的熱傳導，溫度相對較高且穩(wěn)定，換熱效果好，由于打井數量少于淺層地熱能，所以占地面積小，適用于人口密集的地區(qū)及高寒地區(qū)；與中深層地熱能相比，中淺層地熱能的初投資低，深度較淺，地下溫度更易提取，可供暖可制冷。綜上，從溫度、深度、投資等方面來看，中淺層地熱能都具有極大的利用價值[9]。但是目前大部分研究以淺層地熱能和中深層地熱能為主，對于中淺層地熱能研究較少，而利用中淺層地熱能進行供暖與制冷也缺乏相關的工程案例和理論研究支持。

因此，本文根據邯鄲市某建筑物空調冷熱源項目中施工的300 m地熱井，開展中淺層地源熱泵系統(tǒng)換熱實驗及巖土熱物性測試，分析中淺層同軸套管式換熱器的換熱性能，并利用傳熱理論模擬分析中淺層同軸套管式換熱器的傳熱特性。

1 研究區(qū)地熱地質條件

1.1 地質構造

研究區(qū)位于邯鄲市東部平原，根據區(qū)域地質資料和物探探測，區(qū)內地層由老到新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系和第四系[10]。研究區(qū)地質構造屬中朝準地臺中南部，西臨山西斷隆，南接內黃隆起，東望魯西斷隆，北為滄縣隆起及冀中斷坳。區(qū)內分布三條斷裂，分別為邯鄲大斷裂、臨漳-魏縣隱伏大斷裂、滄州-大名深斷裂，控制著新近系和第四系的沉積以及地下熱水的賦存條件。

1.2 蓋層

新近系泥巖類及第四系黏土層厚度適中是該地區(qū)良好的保溫層。巖性由灰黃、黃色灰綠黏土、黏砂土夾砂層及灰綠色亞黏土呈不等厚互層組成，厚度為1.30～14.85 m，夾有淤泥層，見有石膏晶體，含鈣質結核，第四系地層上部具有黃土狀結構。

1.3 熱儲

研究區(qū)有四套熱儲，即新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲、古近系東營-沙河街裂隙熱儲、寒武-奧陶系巖溶裂隙熱儲、中上元古界巖溶裂隙熱儲。其中新近系熱儲層為本地區(qū)開發(fā)利用的主要目的層，本次研究僅涉及新近系明化鎮(zhèn)熱儲，該熱儲是由一套砂巖、含礫砂巖及泥巖頻繁交叉而疊置成的河流相沉積層，其中砂巖和砂礫巖是良好的熱水儲水層，沉積物粒度具有上細下粗的特征[11]，本次揭露厚度為74.6 m。

除上述熱儲外，第四系的中下部地層也是本次利用的重點目的層。第四系中部由灰綠、黃褐色亞砂土、黏土、中細砂、粉砂組成，含少量鈣質結核。下部由紫紅、棕紅及灰綠色亞黏土和4～6層厚層細、中砂組成，在底部有一層35～40 m礫石層，俗稱第四系底礫層，為一良好的含水層，也是良好的熱儲，揭露地層厚度約126 m。

1.4 地層溫度

研究區(qū)內恒溫帶平均深度25 m，溫度為15.3～16.0 ℃，平均為15.7 ℃[12]，地溫梯度一般在2.5～2.9 ℃/100 m之間。本次鉆探結束24 h后對地熱井進行了測溫，測得井底溫度為31 ℃。

2 地下巖土體的熱物性測試

中淺層同軸套管式換熱實驗項目位于邯鄲市東部平原，地勢較為平坦。根據《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》[13]，采用地源熱泵系統(tǒng)應先進行現場熱響應測試再進行系統(tǒng)設計，現場熱響應測試的首要目標是獲取地埋管在打井深度范圍內的巖土層的綜合熱物性參數，如導熱系數、換熱量等，為地埋管設計前提供必要的基礎性數據[14]。

2.1 套管式換熱器結構

地熱井結構設計為一級，一開Φ152.4 mm，下入Φ108 mm套管，固井后下入材質為PP100、規(guī)格為De63 mm的中心管(也稱內管)，共同組成套管式換熱器(表1)。

表1 換熱管結構表Table 1 Structure table of heat exchange tube

2.2 熱物性實驗方法和不同工況選取

熱物性測試采用地層熱平衡法，測試地層吸熱能力，共開展五種不同形式的工況，獲取的熱物性參數作為建立地熱模型的基礎。

穩(wěn)定工況：在測試熱加載功率約19 kW，循環(huán)流量3.5 m3/h，進出水溫差為4.5～5 ℃的條件下，測試中心管進水(內進外出)和中心管出水(外進內出)兩種工況，以獲取穩(wěn)定工況條件下的熱物性參數，根據測試取得換熱量較大的工況為基礎開展變流量工況。

變流量工況：在測試熱加載功率不變的條件下，通過調節(jié)流量3～6 m3/h，分別獲取進出水溫差約3 ℃、4 ℃、4.5 ℃等三種工況條件下的熱物性參數。

2.3 熱物性測試原理及過程

將測試設備與套管式換熱器組成循環(huán)水系統(tǒng)，設定穩(wěn)定的加熱功率，對換熱器進行一定時間的連續(xù)散熱實驗，并實時監(jiān)測記錄加熱功率、循環(huán)流量和進出水溫度等數據，依據規(guī)范分析得到巖土熱物性參數，測試原理圖如圖1所示。

圖1 熱物性測試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermophysical property test

3 中淺層同軸套管式換熱器的實驗結果

3.1 巖土初始平均溫度的確定

換熱器換熱測試歷時9 d，從2020年6月23日開始，到2020年7月1日結束。6月23日，中心管出水(外進內出)工況下流量為3.06 m3/h，循環(huán)1.5 h后測得地熱井初始平均溫度為21.3 ℃；6月24日，中心管進水(內進外出)工況下流量為3.16 m3/h， 循環(huán)3 h后測得地熱井初始平均溫度為21.2 ℃。

3.2 中心管進水(內進外出)穩(wěn)定工況時的傳熱測試

中心管進水穩(wěn)定工況從2020年6月25日15：30開始，到2020年6月29日3：30結束，測試時間84 h。當加熱功率為18.5 kW，循環(huán)液流量為3.5 m3/h時，套管式換熱器進口溫度為39.5 ℃、出口溫度為34.7 ℃，溫差4.8 ℃，平均換熱量為20.4 kW(圖2)，計算得出地層的綜合傳熱系數K為4.38 W/(m·K)。由于前期數據有波動，所以測試數據取測試結束前8 h內平均值。

圖2 內管進水工況下換熱量和進/出水溫度變化曲線圖Fig.2 Change graph of formation heat exchange andinlet/outlet water temperature under inner tubeinlet water condition

3.3 中心管出水(外進內出)穩(wěn)定工況時的傳熱測試

中心管出水穩(wěn)定工況從2020年6月29日11：00開始，到2020年7月1日7：00結束，測試時間44 h，穩(wěn)定加熱功率19 kW，循環(huán)液流量為3.6 m3/h。套管式換熱器進口溫度40.6 ℃，出口溫度35.7 ℃，進出口溫差4.9 ℃，平均換熱量20.9 kW(圖3)，其換熱量要比相同流量時的內進外出工況大，計算得出地層綜合傳熱系數K為4.137 W/(m·K)，由于前期數據波動太大，所以測試數據取測試結束前8 h內平均值。

圖3 內管出水工況下換熱量和進/出水溫度變化曲線圖Fig.3 Change graph of formation heat exchange andinlet/outlet water temperature under innertube outlet water condition

3.4 不同流量工況時的傳熱測試

根據3.2部分和3.3部分的實驗研究可知，外進內出工況的換熱效果要優(yōu)于內進外出工況，因此可對外進內出工況繼續(xù)進行不同流量時的傳熱測試。變流量工況從2020年7月1日9：00開始，到2020年7月4日8：00結束，測試時間為71 h，穩(wěn)定加熱功率為14.6 kW，通過調節(jié)流量，獲取溫差、換熱量、地層熱物性參數及最佳運行工況等，測試數據取不同流量工況測試結束前6 h內平均值(圖4)。

圖4 內管進水在不同流量時的流量和進/出水溫度變化曲線圖Fig.4 Change graph of flow rate and inlet/outletwater temperature under inner tube inlet watervariable traffic condition

1) 水流量4.7 m3/h時，套管式換熱器進口溫度36.5 ℃，出口溫度33.6 ℃，進出口溫差2.9 ℃，平均換熱量15.8 kW，地層綜合傳熱系數3.860 W/(m·K)。

2) 水流量3.2 m3/h時，套管式換熱器進口溫度37.5 ℃，出口溫度33.3 ℃，進出口溫差4.2 ℃，平均換熱量15.7 kW，地層綜合傳熱系數3.697 W/(m·K)。

3) 水流量2.9 m3/h時，套管式換熱器進口溫度37.9 ℃，出口溫度33.3 ℃，進出口溫差4.6 ℃，平均換熱量15.6 kW，地層綜合傳熱系數3.602 W/(m·K)。

根據不同流量時的傳熱測試結果，隨著循環(huán)液流量的降低，換熱器的換熱量逐漸減小，說明循環(huán)液和換熱管的對流換熱效果降低。

3.5 中淺層同軸套管式換熱器換熱能力分析

根據中淺層同軸套管式換熱器熱物性測試結果，總結出本次換熱器的取熱能力見表2。綜合考慮測試數據，本文地層綜合傳熱系數為3.602～4.380 W/(m·K)，平均傳熱系數為3.935 W/(m·K)，制冷工況下地層延米換熱量為52.00～69.67 W/m。

表2 中淺層套管式換熱器的取熱能力分析表Table 2 Analysis of energy extraction capacity of double-pipe ground heat exchangers of medium-shallow layers

4 模擬計算與分析

4.1 模型建立與參數確定

4.1.1 模型建立

根據已有的淺層地埋管和中深層同軸套管式傳熱模型建立了中淺層同軸套管式換熱器冬夏兩季傳熱模型，并根據換熱內外不同的傳熱規(guī)律和循環(huán)方向，建立相應控制方程，通過方程的求解對該傳熱模型進行模擬分析。

1) 套管內流體溫度控制方程。套管內流體區(qū)域假設為一維非穩(wěn)態(tài)導熱問題，包括兩部分熱阻，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：R1為外管內循環(huán)液和鉆孔壁之間單位長度的熱阻，(m2·K)/W；R2為內管流體與外管流體之間單位長度的熱阻，(m2·K)/W；d1i為內管內徑，m；d10為內管外徑，m；d2i為外管內徑，m；d20為外管外徑，m；db為鉆孔直徑，m；h1為套管內管流體與管壁的對流換熱系數，W/(m2·K)；h2為套管外管流體與管壁的對流換熱系數，W/(m2·K)；λp1為內管導熱系數，W/(m·K)；λp2為外管導熱系數，W/(m·K)；λg為回填材料導熱系數，W/(m·K)。

若循環(huán)液流動方式為內進外出式，內外管流體能量方程見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

定解條件見式(5)和式(6)。

第一類邊界條件：

(5)

或第二類邊界條件(Q從地下取熱為正，放熱為負)：

(6)

若循環(huán)液流動方式為外進內出式，內外管流體能量方程見式(7)～式(9)。

(7)

(8)

C=mc

(9)

定解條件見式(10)和式(11)。

第一類邊界條件:

(10)

或第二類邊界條件(Q從地下取熱為正，放熱為負)：

(11)

式中：tf1為內管流體溫度，℃；tf2為外管流體溫度，℃；tb為鉆孔壁溫度，℃；H為換熱器長度；C為循環(huán)液單位長度的熱容量，J/(m·K)；C1為內管道熱流通道單位長度的熱容量，J/(m·K)；C2為外管道熱流通道單位長度的熱容量，J/(m·K)；m為套管內循環(huán)液的質量流量，kg/s；c為循環(huán)液比熱容，J/(kg·K)。

C1、C2具體表達式見式(12)和式(13)。

(12)

(13)

式中：ρwcw為循環(huán)液體積比熱容，J/(m3·K)；ρ1c1為內管體積比熱容，J/(m3·K)；ρ2c2為外管體積比熱容，J/(m3·K)；ρgcg為回填材料體積比熱容，J/(m3·K)。

2) 巖土中溫度控制方程。巖土區(qū)域假設為二維非穩(wěn)態(tài)導熱問題，其導熱方程見式(14)和式(15)。

(14)

(15)

式中：t為巖土體溫度，℃；τ為計算時間，s；a為巖土地層的熱擴散率，m2/s；r為巖土的徑向長度，m；λpl為巖土導熱系數，W/(m·K)；ρc為巖土體積比熱容，J/(m3·K)。

采用不均等差分步長，引入新變量進行求解，計算見式(16)。

σ=ln(r/r0)

(16)

式中，r0為鉆孔半徑，m。

將式(16)帶入到式(14)可簡化得到式(17)。

(17)

如果管外壁溫度梯度分布均勻，則可用等步長Δσ，對應的坐標就成為一個等比級數，見式(18)。

(18)

式中：ri為第i個徑向節(jié)點的徑向坐標，m；ri+1為第i+1個徑向節(jié)點的徑向坐標，m；r1為第1個徑向節(jié)點的徑向坐標，m；計算時取β=1.2，所以Δσ=0.182 32。

4.1.2 參數確定

本文以深度為300 m的中淺層套管式換熱器為研究對象，通過現場實驗，得到相應的測試數據。將測試得到結果進行整理，最后進行結果分析，具體實驗參數見表3。

表3 實驗計算參數Table 3 Experimental calculation parameters

4.2 結果分析

本文利用中淺層地熱能達到供暖和制冷的雙重目的，冬季進行供暖，夏季進行制冷，本次模擬參數與實驗數據一致，首先校核傳熱模型的準確性，然后利用該傳熱模型計算該換熱器運行一年的各個參數變化，并進行分析。

4.2.1 模擬數據與實驗數據對比

本次模擬之前，為了驗證該傳熱模型的合理性，將實驗得到的數據與模擬計算得到的數據進行比較，在實驗進行過程中，循環(huán)液以外進內出式和內進外出式兩種循環(huán)方式運行，因此選取這兩種不同方式，分別驗證模擬準確性，循環(huán)液流量為3.5 m3/h，實驗時間各為44 h，其余模擬參數與實驗參數設置一致，最終通過對比進出口溫度之間的差異，來驗證其模擬的準確性，具體實驗結果與模擬結果對比如圖5和圖6所示。

圖5 外進內出式模擬數據與實驗數據比較Fig.5 Comparison of simulation data and experimentaldata of external input and internal output

由圖5和圖6可知，進出口溫度的實驗數據與模擬數據存在一定差異，但總體趨勢一致，實驗數據圍繞模擬數據上下波動，原因可能是進行實驗時地下巖土層結構復雜，存在地下水徑流等影響，導致參數不穩(wěn)定，波動較大，模擬數據則忽略其影響。此外，對于換熱器外進內出式中的循環(huán)液與巖土介質之間穿透介質少于內進外出式，熱阻小，換熱效果好，因此選取外進內出式進行模擬計算。

圖6 內進外出式模擬數據與實驗數據比較Fig.6 Comparison of simulated data and experimentaldata of internal input and external output

4.2.2 換熱量變化

換熱量的大小是評價換熱器性能優(yōu)良的最主要指標，為了維持一定供暖溫度或制冷溫度，擬定換熱器連續(xù)運行四個月，以冬季進口溫度不低于5 ℃、夏季進口溫度不高于45 ℃的換熱量為最大換熱量。 為了驗證本次項目的最大換熱量，取循環(huán)液流量為2.9 m3/h、3.2 m3/h、3.5 m3/h、3.6 m3/h、4.7 m3/h情況下，對冬夏季分別進行模擬，具體計算結果如圖7所示。

圖7 換熱量隨循環(huán)液流量變化Fig.7 Heat exchange varies with circulating fluid flow

由圖7可知，名義取熱量隨循環(huán)液流量的增加都在不同幅度的增加，循環(huán)液流量越大，循環(huán)液從巖土體中吸收或排出的熱量越多；實驗測試的換熱量為20.9 kW，其循環(huán)液流量為3.6 m3/h，此時模擬的換熱量為18.39 kW，因為實驗測試僅為連續(xù)運行的幾十個小時，模擬計算為整個制冷季，因此實驗測試的換熱量比模擬數據換熱量較高。當循環(huán)液流量分別為2.9 m3/h、3.2 m3/h、3.5 m3/h、3.6 m3/h、4.7 m3/h時，為了維持地埋管的取熱能力，保證地埋管運行效率，其循環(huán)液流量對應的最大換熱量夏季為17.38 kW、17.39 kW、18.39 kW、18.39 kW、18.41 kW，冬季為19.55 kW、20.54 kW、20.55 kW、20.56 kW、21.57 kW。

4.2.3 進出口溫度變化

取熱量公式為Q=mcΔt[15]，c為循環(huán)液比熱容，因此取熱量Q的大小不但與循環(huán)液流量m有關，也與進出口溫差Δt有關，結合上文測試數據，取不同循環(huán)液進出口流量分別進行模擬計算分析，計算結果如圖8所示。由圖8可知，連續(xù)供暖期間，由于換熱器不斷提取地下巖土體中熱量，導致巖土體溫度降低，為了使取熱量相對穩(wěn)定，循環(huán)液進出口溫度將會不斷降低；供暖季結束時，換熱器停止運行，循環(huán)液進出口溫度不斷上升，逐漸接近地面初始溫度。進行制冷時，換熱器不斷向地下巖土體排入熱量，巖土體溫度持續(xù)升高，此刻為了達到相應的取熱量，進出口溫度逐漸上升；當制冷季結束后進出后溫度不斷降低直至和地層表面溫度相近，最后進入下一年循環(huán)。

圖8 不同流量情況下地埋管進出口溫度一年內變化Fig.8 Temperature of the inlet and outlet of buried pipeschanges within one year under different flow conditions

圖9為冬季供暖時不同流量情況下換熱器進出口溫度變化情況。由圖9可知，換熱器冬季運行時，對于不同的循環(huán)液流量，其進出口溫度不相同，當流量較大時，其進口溫度比流量小的進口溫度高，而出口處流量大的溫度小于流量小的出口溫度，這是由于取熱量一致時，為了取得相同的熱量，流量增大時，進出口溫差將會減小，反之流量小的進出口溫差增大；該計算結果顯示最大進出口溫差為3.96 ℃，最小進出口溫差為2.33 ℃，并且運行開始前期，進出口溫度降低速度較快，隨著運行時間增加，進出口溫度下降較平緩。

圖9 冬季供暖時不同流量情況下換熱器進出口溫度變化Fig.9 Changes of inlet and outlet temperature of buriedpipe under different flow rate during heating in winter

圖10為夏季制冷時不同流量情況下換熱器進出口溫度變化情況。由圖10可知，當換熱器進入夏季進行制冷時，需要從建筑物內不斷吸取熱量，通過換熱器排入到巖土體中，以降低建筑物室內溫度，同時隨著巖土體溫度不斷升高，為了排出一定熱量，循環(huán)液進出口溫度也在增加，最大進出口溫差為5.43 ℃，最小進出口溫差為3.15 ℃，運行前期， 進出口溫度升高較快，后期較平緩；對于流量大的循環(huán)液進口溫度小于流量小的循環(huán)液進口溫度，反之流量大的出口溫度大于流量小的出口溫度。

圖10 夏季制冷時不同流量情況下換熱器進出口溫度變化Fig.10 Changes of inlet and outlet temperature of buriedpipe under different flow rate during cooling in summer

4.2.4 不同地層巖土溫度沿徑向的變化

換熱器運行期間產生的最大影響是導致周圍巖土層溫度的變化，由于不同深度的巖土溫度不同，深度越深，巖土溫度越高，所以當循環(huán)液進行循環(huán)時，在每個地層吸收或排放的熱量不同，因此套管四周的巖土溫度在徑向上不斷變化，取循環(huán)液流量為3.5 m3/h，模擬了地埋管換熱器分別在冬季和夏季運行完畢后，不同地層巖土溫度沿徑向的變化，具體結果如圖11所示。

圖11 不同深度巖土溫度沿徑向的變化Fig.11 Variation of geotechnical temperature along the radial direction at different depths

由圖11可知，當換熱器在換熱結束后，不同巖土層溫度都發(fā)生一定程度的變化，綜合圖9和圖10分析，不論是冬季還是夏季，由于受地埋管內循環(huán)液溫度的影響，距離鉆孔徑向越近處巖土層溫度變化較快，距離越遠，受地埋管吸熱或散熱影響越小，因此溫度變化也逐漸變小。當冬季運行完畢后，地埋管從周圍巖土層吸取了相應的熱量，周圍巖土層溫度降低，導致各個地層溫度隨著徑向距離的增加呈現緩慢增加趨勢，若選取的巖土層所處深度較小，則周圍巖土層溫度越低，地埋管循環(huán)液吸收的熱量較少，若選取的巖土層所處深度較大，地埋管循環(huán)液吸收的熱量較多，巖土溫度沿徑向變化越明顯。當夏季運行完畢后，地埋管向周圍巖土層釋放了相應的熱量，各個地層溫度都隨著徑向距離的增加呈現一個逐漸降低趨勢，隨著徑向距離的增加，各個地層溫度逐漸趨于平穩(wěn)。當鉆孔深度較淺時，周圍巖土層與循環(huán)液溫差較大，因此變化越明顯。

4.2.5 不同地層巖土溫度沿深度方向的變化

當徑向距離一定時，同一地層的巖土溫度相同，不同深度地層的巖土溫度不斷變化，取徑向距離為1 m、循環(huán)液流量為3.5 m3/h時的參數進行模擬計算，運行一年后其各個地層溫度變化如圖12所示。由圖12可知，運行一年后，換熱器停止運行，巖土溫度慢慢恢復至初始溫度，距離地面越近，巖土溫度越接近地面溫度，隨著深度增加，溫度不斷上升，并最終接近所在地層的巖土溫度初始值，即巖土溫度隨著深度的增加不斷上升。

圖12 不同深度地層巖土溫度變化Fig.12 Changes in geotechnical temperature indifferent depth formations

5 結 論

中淺層地熱能可供暖可制冷，因此開展中淺層地熱能研究是補充和完善目前我國地熱能開發(fā)利用的方式，尤其是在城市密集區(qū)采用中淺層地熱能進行供暖和制冷，不僅解決了淺層地埋管占地面積大和中深層地熱投資大的問題，同時對于調整城市能源供給形式、節(jié)能減碳和改善環(huán)境具有重要意義。本文在邯鄲市某建筑物建立了埋深為300 m的中淺層同軸套管式換熱器，并對換熱器分別進行了定流量和變流量傳熱實驗；基于已有的淺層地埋管和中深層傳熱模型，創(chuàng)新性建立了針對中淺層套管式換熱器冬夏兩季的傳熱模型，并將實驗數據與模擬數據進行了對比，校核了傳熱模型的準確性，最后利用該中淺層傳熱模型對該地熱井進行了全年模擬，通過換熱實驗和模擬計算可以得到以下結論。

1) 利用中淺層套管式換熱器為建筑物進行供暖和制冷是可行的。

2) 通過傳熱測試獲得地層綜合傳熱系數3.602～4.380 W/(m·K)，不同流量制冷工況下地層延米換熱量為52～69.67 W/m。

3) 利用模擬數據與實驗數據進行了比較，其運算結果驗證了傳熱模型的合理性，當循環(huán)液流量為3.5 m3/h時，制冷工況下延米換熱量為61.30 W/m，供暖工況下延米換熱量為68.50 W/m。

4) 利用其測試數據進行模擬計算，當換熱器運行一年后，不同流量的進出口溫差不同，流量越大，進出口溫差越小，流量越小進出口溫差越大，其中冬季進出口溫差最大為3.96 ℃，夏季進出口最大溫差為5.43 ℃。

5) 換熱器分別在冬季、夏季運行完畢后，不同巖土層溫度都隨著徑向距離增加呈現不同程度的上升或下降趨勢，但隨著徑向距離的增加，溫度變化將趨于平緩；同時不同地層的巖土溫度隨著深度的增加不斷升高。

本文研究的實驗測試僅針對夏季工況，由于新冠疫情影響暫時未對冬季工況進行實驗，在接下來項目中將會在一定時間內對冬季參數進行測試，通過冬夏兩季各個參數來進行對比分析，以推進項目的進一步實施。