田斌守，邵繼新，楊海鴻，司雙龍，藺瑞山，夏 斌

(1. 甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，蘭州 730020；2. 甘肅省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020)

0 引言

在當(dāng)今能源領(lǐng)域，開發(fā)利用新能源，逐步降低化石能源的消耗量是大勢(shì)所趨。近年來，中國(guó)對(duì)新能源的開發(fā)利用非常重視。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示：2018年，中國(guó)能源生產(chǎn)總量為37.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，其中，煤炭的占比為69.3%，石油的占比為7.2%，天然氣的占比為5.5%[1]。據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心對(duì)中國(guó)建筑領(lǐng)域用能及二氧化碳排放量的核算結(jié)果顯示：2018年，建筑建造和建筑運(yùn)行用能占全社會(huì)總能耗的36%，其中，建筑運(yùn)行用能占全社會(huì)總能耗的22%，同時(shí)建筑運(yùn)行用能的二氧化碳排放量在全社會(huì)總二氧化碳排放量中的占比達(dá)到了20%[2]。另外，根據(jù)姜洪殿等[3]的研究結(jié)果，2020年中國(guó)一次能源消費(fèi)總量將達(dá)到3503.1百萬噸油當(dāng)量(約50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量)，新能源消費(fèi)總量將達(dá)到690.5 百萬噸油當(dāng)量。

中國(guó)能源形勢(shì)很嚴(yán)峻，新能源具有強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，必將成為能源生力軍。在新能源應(yīng)用中，太陽(yáng)能和地?zé)崮茉诮ㄖ媚茴I(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

太陽(yáng)能熱利用在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，在主動(dòng)式技術(shù)、被動(dòng)式技術(shù)方面都有一定的積累和較豐富的應(yīng)用成果。太陽(yáng)能具有普遍性，有陽(yáng)光普照的地方，就可以利用太陽(yáng)能；但同時(shí)太陽(yáng)能也存在能量密度低的問題，太陽(yáng)入射到地球大氣層外表面的太陽(yáng)輻照度為1353 W/m2，而地面上太陽(yáng)輻照度小于1000 W/m2。另外，太陽(yáng)能還存在不穩(wěn)定、不連續(xù)的問題，主要表現(xiàn)為：日夜更替的晝夜不平衡、四時(shí)變換的季節(jié)不平衡、陰晴雨雪的天氣不確定性。而建筑等用熱末端要求供熱穩(wěn)定、連續(xù)，因此為了解決穩(wěn)定供熱問題，在建筑等用熱末端使用太陽(yáng)能時(shí)必須增加儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)，但這將會(huì)使整個(gè)供熱系統(tǒng)變得復(fù)雜，導(dǎo)致投資增加，且運(yùn)行費(fèi)用提高。

根據(jù)地?zé)崮艿馁x存形式，通常將地?zé)崮芊譃樗疅嵝?、巖熱型、淺層地?zé)嵝秃蜕顚拥責(zé)嵝偷?。基于地溫梯度原理，在地表以?500 m深處的巖土層溫度約為70～90 ℃，此處巖土層所蓄積的熱能即為中深層地巖熱。而地巖熱屬于巖熱型地?zé)崮苤械囊环N，與水熱型地?zé)崮苡兴鶇^(qū)別，本文僅針對(duì)地巖熱進(jìn)行研究。地巖熱普遍存在，幾乎任何地方都有，資源量巨大；其溫度比干熱巖低，可以稱為低品位地?zé)崮?，可廣泛應(yīng)用于建筑供暖、設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工、食品加工、工業(yè)干燥等領(lǐng)域。

近年來，科學(xué)合理地開發(fā)中深層地巖熱技術(shù)受到了業(yè)界關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的孔彥龍等[4]研究了深井換熱技術(shù)的原理，并對(duì)其單井換熱量進(jìn)行了評(píng)估，研究結(jié)果顯示：間歇換熱可實(shí)現(xiàn)中深層地巖熱200 W/m的穩(wěn)定、連續(xù)開采，且地溫梯度對(duì)換熱量有較為顯著的影響。清華大學(xué)的鄧杰文等[5]研究了中深層地巖熱技術(shù)的利用對(duì)環(huán)境的影響及持續(xù)采熱的效果，研究結(jié)果表明：中深層地巖熱技術(shù)無需提取地下水，對(duì)地下水資源、地下環(huán)境無影響；熱源側(cè)取熱于地下的中深層地巖熱，其熱量直接來自于地球內(nèi)部熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變過程，有源源不斷的熱量補(bǔ)充到中深層地巖熱中，能夠從根本上解決補(bǔ)熱問題，因此熱源側(cè)換熱器單位長(zhǎng)度取熱量可以達(dá)到常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)的2.0～3.6倍。

目前，在建筑供暖領(lǐng)域已分別有地?zé)崮芎吞?yáng)能的應(yīng)用研究，但針對(duì)中深層地巖熱和太陽(yáng)能聯(lián)合應(yīng)用的系統(tǒng)性研究還未見報(bào)道。

在此背景下，為了充分利用蘭州地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源和地?zé)豳Y源，本文將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與中深層地巖熱供熱系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)了太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)。以蘭州地區(qū)的太陽(yáng)能資源為基礎(chǔ)，在連續(xù)取熱、地溫梯度為30 ℃/km的條件下模擬了單口直徑為200 mm、深度為2500 m的中深層地巖熱換熱井的供熱情況及地巖溫度恢復(fù)情況，并對(duì)太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了6種運(yùn)行模式，以結(jié)合太陽(yáng)能和地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)[6]，使投資效益和運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)；最后實(shí)際測(cè)試分析了采暖季該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 項(xiàng)目所在地的基礎(chǔ)資料

太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的項(xiàng)目所在地為甘肅省蘭州市，地理位置為36.05°N、103.88°E，海拔高度為1517.2 m。蘭州市的年平均溫度為9.8 ℃，采暖季室外計(jì)算溫度為-9.0 ℃；冬季時(shí)，室外相對(duì)濕度為54%，室外平均風(fēng)速為0.5 m/s，最大凍土深度為98 cm，室外大氣壓力為85.15 kPa；夏季時(shí)，室外大氣壓力為84.32 kPa。

1.2 當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源

蘭州市的太陽(yáng)能資源情況如表1所示。表中：Ta為月平均室外溫度；Ht為水平面上月平均日太陽(yáng)總輻射量；Hd為水平面上月平均日太陽(yáng)散射輻射量；Hb為水平面上月平均日太陽(yáng)直射輻射量；H為當(dāng)?shù)鼐暥葍A斜面上月平均日太陽(yáng)總輻射量；H0為大氣層上界面的月平均日太陽(yáng)總輻射量；Sm為月日照小時(shí)數(shù)；Kt為大氣晴朗指數(shù)。

表1 蘭州市的太陽(yáng)能資源情況Table 1 Solar energy resources of Lanzhou City

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得出當(dāng)?shù)鼐暥葍A斜面上年太陽(yáng)總輻射量可達(dá)到5754.7 MJ/m2，水平面上年太陽(yáng)總輻射量可達(dá)到5457.5 MJ/m2。由此可知，蘭州市的太陽(yáng)能資源非常豐富，具有太陽(yáng)能資源利用的巨大優(yōu)勢(shì)。

1.3 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

在本太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)為雙蓋板平板式太陽(yáng)能集熱器，根據(jù)工程條件，太陽(yáng)能集熱器陣列的總集熱面積設(shè)計(jì)為200 m2。根據(jù)《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)》[7]，計(jì)算整理得到太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的主要參數(shù)的取值，具體如表2所示；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量及其時(shí)間分布情況如表3所示。

表2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的主要參數(shù)取值Table 2 Values of main parameters of solar heat collection system

表3 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量及其時(shí)間分布情況Table 3 Heat gain of solar heat collection system and its time distribution

從表3可以看出：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的理論全年得熱量為133429 kWh，相當(dāng)于16418 千克標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，集熱效果顯著；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在非采暖季的得熱量占其全年得熱量的比例為68.4%，這部分熱量若得不到充分利用，對(duì)于能源和投資都是巨大的浪費(fèi)。因此，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的季節(jié)不平衡性需要引起足夠的重視。

綜上所述，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)全年得熱量的利用問題。通常，為了保證太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的熱量可以滿足建筑的冬季采暖，會(huì)使該系統(tǒng)的集熱面積過大，導(dǎo)致非采暖季其得熱量得不到利用，并且還會(huì)造成太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)過熱，從而影響元器件的壽命。應(yīng)在綜合考慮投資效益、運(yùn)行費(fèi)用等因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱單元來儲(chǔ)存太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在非采暖季的得熱量，以便更加有效地利用太陽(yáng)能資源和提高設(shè)備利用率。

2 中深層地巖熱供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

目前，開發(fā)利用中深層地巖熱的技術(shù)路線是向地下一定深度處的巖土層鉆孔，并在孔中安裝封閉循環(huán)的換熱裝置，通過專用設(shè)備系統(tǒng)向建筑物供熱[8]。中深層地巖熱供熱系統(tǒng)主要是采用同軸套管換熱技術(shù)[4-5]或U型管換熱技術(shù)，其主要特點(diǎn)是“井下?lián)Q熱、取熱不取水”，這是《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[9]加強(qiáng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。中深層地巖熱供熱技術(shù)的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 中深層地巖熱供熱技術(shù)的工作原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of working principle of mediumdepth strata geothermal heating technology

由于中深層地巖熱供熱技術(shù)的換熱過程中地巖溫度會(huì)發(fā)生變化[10-11]，因此，單口井取熱的熱影響半徑的大小，以及隨著取熱進(jìn)程的持續(xù)，地巖溫度的恢復(fù)情況等成為該技術(shù)最受關(guān)注的問題。單口井取熱的熱影響半徑的大小決定了井群的布置策略，取熱進(jìn)程中地巖溫度的恢復(fù)情況決定了中深層地巖熱供熱系統(tǒng)持續(xù)使用的可行性。綜上所述，需要研究中深層地巖熱供熱系統(tǒng)的地巖溫度在時(shí)間和空間上的分布情況。本文所研究的中深層地巖熱供熱系統(tǒng)采用同軸套管換熱技術(shù)。中深層地巖熱換熱井計(jì)算參數(shù)的設(shè)置如表4、表5所示。

表4 中深層地巖熱換熱井的物理參數(shù)Table 4 Physical parameters of heat transfer well using medium-depth strata geothermal

表5 中深層地巖熱換熱井的主要熱物性參數(shù)Table 5 Main thermophysical parameters of heat transfer well using medium-depth strata geothermal

采用CFD模擬仿真軟件進(jìn)行中深層地巖熱換熱井的換熱模擬計(jì)算，計(jì)算條件設(shè)置為：

1)忽略鉆孔內(nèi)部材料(同軸套管管壁、回填材料等)熱容，其相比于巖土層熱容較小，將鉆孔內(nèi)部視為穩(wěn)態(tài)傳熱；

2)同軸套管式地埋管換熱器內(nèi)外管的中心線重合，忽略地下水滲流情況；

3)假設(shè)巖土層的熱物性均勻，各地層的干度一致；

4)換熱過程連續(xù)(不考慮系統(tǒng)間斷運(yùn)行)；

5)傳熱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，沿徑向一維傳熱，忽略軸向傳熱。

在中深層地巖熱換熱井實(shí)際運(yùn)行中，地巖中的熱量源源不斷地傳遞給換熱器內(nèi)的介質(zhì)，地巖周圍溫度受到影響后將會(huì)產(chǎn)生變化。本文將中深層地巖熱換熱井運(yùn)行過程中，鉆孔徑向未受到換熱影響的巖土層與鉆孔中心的距離定義為熱影響半徑，即可通過研究地巖溫度沿鉆孔徑向的分布來確定中深層地巖熱換熱井的熱影響半徑。通常將熱影響半徑之外的地巖溫度定義為遠(yuǎn)場(chǎng)溫度。在鉆孔直徑為200 mm的情況下，中深層地巖熱換熱井對(duì)巖土層的熱影響半徑的CFD模擬結(jié)果如圖2所示，模擬計(jì)算時(shí)需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元高度的巖土層及管內(nèi)溫度分布的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 中深層地巖熱換熱井對(duì)巖土層的熱影響半徑的CFD模擬結(jié)果Fig. 2 CFD simulation results of thermal influence radius of heat transfer well using medium-depth strata geothermal on rock soil layer

圖3 單元高度的巖土層及管內(nèi)溫度分布Fig. 3 Temperature distribution in rock soil layer and pipe at unit height

從圖2、圖3可以看出：中深層地巖熱換熱井對(duì)巖土層的熱影響半徑約為8 m，而且熱影響半徑會(huì)隨著地層深度的變化而變化，呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì)；在地層深度約500 m時(shí)，熱影響半徑最小，這是因?yàn)橹猩顚拥貛r熱換熱技術(shù)的充分換熱段是在換熱井深部，根據(jù)地巖溫度分布狀況，換熱井井深500 m處剛進(jìn)入地?zé)嵩鰷囟危虼嗽撎幍牡貛r溫度還比較低。

在換熱過程中，同軸套管式換熱器中的內(nèi)管向外流出熱水，從外管與內(nèi)管之間的環(huán)隙向下流入冷水。在換熱井井深約500 m處，內(nèi)管中的水溫高于環(huán)隙中的水溫，內(nèi)、外管之間存在熱量交換，環(huán)隙中的水從內(nèi)管中獲取熱量，又向外管傳遞熱量，這樣使環(huán)隙中的水溫與井深500 m處巖土層溫度之間的溫差最小。

在地巖熱換熱井入口處的流體流速為1 m/s、流體溫度為24 ℃的條件下，對(duì)采暖季時(shí)地巖溫度分布情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示；對(duì)采暖季結(jié)束后地巖溫度的恢復(fù)情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖4 采暖季時(shí)地巖溫度分布情況Fig. 4 Distribution situation of ground rock temperature in heating season

圖5 采暖季結(jié)束后地巖溫度的恢復(fù)情況Fig. 5 Recovery situation of ground rock temperature after the end of heating season

從圖4可以看出：在采暖季，中深層地巖熱供熱系統(tǒng)運(yùn)行約30天后，地巖溫度達(dá)到了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

從圖5可以看出：采暖季結(jié)束后，地巖溫度逐漸恢復(fù)；且采暖季結(jié)束后的第120天時(shí)，換熱井底部及沿程溫度(即沿井深方向的溫度分布)與遠(yuǎn)場(chǎng)溫度相等。由于遠(yuǎn)場(chǎng)溫度不受采暖季取熱的影響，所以該溫度也就是采暖季開始前的地巖溫度。據(jù)此可以判定，換熱井地巖溫度恢復(fù)到采暖季取熱開始前的水平需要120天，即地巖溫度恢復(fù)周期為120天。

3 太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的工作模式

為了使太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和中深層地巖熱供熱系統(tǒng)這2種能源系統(tǒng)耦合起來后可以達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行效果，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的控制邏輯和運(yùn)行模式。該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的控制邏輯示意圖如圖6所示。圖中：P1～P4均為循環(huán)泵；F1～F12、Fa、Fb均為閥門；下文同。

圖6 太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的控制邏輯示意圖Fig. 6 Schematic diagram of control logic of solar energy and medium-depth strata geothermal multi energy complementary heating system

太陽(yáng)能集熱器陣列

該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)6種運(yùn)行模式：1)運(yùn)行模式1為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)單獨(dú)向用戶端供熱；2)運(yùn)行模式2為中深層地巖熱供熱系統(tǒng)直接供熱；3)運(yùn)行模式3為“太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)+中深層地巖熱供熱系統(tǒng)”聯(lián)合供熱；4)運(yùn)行模式4為通過中深層地巖熱熱泵機(jī)組供熱；5)運(yùn)行模式5為“太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)+中深層地巖熱熱泵機(jī)組”聯(lián)合供熱[11-12]；6)運(yùn)行模式6為非采暖季太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱。

從6種運(yùn)行模式的運(yùn)行成本來看，運(yùn)行模式1的運(yùn)行成本最低，運(yùn)行模式2的運(yùn)行成本次之，運(yùn)行模式4的運(yùn)行成本最高。這是因?yàn)橹灰鞖馇绾?，太?yáng)能集熱系統(tǒng)可將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能，期間的運(yùn)行成本僅為工質(zhì)的循環(huán)泵耗電量(下文簡(jiǎn)稱為“循環(huán)泵耗”)(熱源側(cè)循環(huán)泵的功率為2.2 kW)；中深層地巖熱供熱系統(tǒng)直接供熱的運(yùn)行成本也是工質(zhì)的循環(huán)泵耗(熱源側(cè)循環(huán)泵的功率為11 kW，大于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的循環(huán)泵耗)；中深層地巖熱熱泵機(jī)組供熱的運(yùn)行成本最高，這是因?yàn)閾Q熱井中的熱能溫度達(dá)不到用戶端需求，需要通過熱泵機(jī)組(功率為130 kW)來提升熱能溫度，因此該運(yùn)行模式的功耗最大。

本多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的6種運(yùn)行模式中，除運(yùn)行模式6之外，其他5種運(yùn)行模式需要依據(jù)日照條件、用戶端需求(比如在采暖季初寒期、末寒期用戶的需求最低，而在中期用戶的需求最大)、換熱井底部溫度等條件進(jìn)行綜合考慮，再?zèng)Q定啟動(dòng)其中某種運(yùn)行模式，其目的是在滿足用戶端需求的前提下，使系統(tǒng)的運(yùn)行成本達(dá)到最低。

3.1 運(yùn)行模式1

該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)采用運(yùn)行模式1時(shí)，通過控制閥門，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)單獨(dú)向用戶端供熱，此時(shí)中深層地巖熱供熱系統(tǒng)不啟動(dòng)。采用運(yùn)行模式1時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖7所示。

圖7 采用運(yùn)行模式1時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖Fig. 7 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 1

3.2 運(yùn)行模式2

在采暖季的初寒期和末寒期，用戶端熱負(fù)荷較小，陰天、雨、雪等太陽(yáng)輻照度不好的情況下可以采用運(yùn)行模式2，即采用中深層地巖熱供熱系統(tǒng)直接供應(yīng)用戶端用熱量，此時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)耗能為循環(huán)泵耗，可以達(dá)到低成本運(yùn)行的目的。采用運(yùn)行模式2時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖如圖8所示。

圖8 采用運(yùn)行模式2時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖Fig. 8 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 2

3.3 運(yùn)行模式3

在多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)采用運(yùn)行模式2的基礎(chǔ)上，如果天氣晴好，可以通過設(shè)定溫度閾值控制閥門開啟，實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)+中深層地巖熱供熱系統(tǒng)”聯(lián)合向用戶端供熱，即采用運(yùn)行模式3。采用運(yùn)行模式3時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖9所示。

圖9 采用運(yùn)行模式3時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖Fig. 9 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 3

3.4 運(yùn)行模式4

在用戶端熱負(fù)荷較大的情況下，多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)通常采用運(yùn)行模式4，即通過中深層地巖熱熱泵機(jī)組供熱。該運(yùn)行模式是將地巖熱換熱井內(nèi)已經(jīng)完成巖土層換熱的熱水抽到地面機(jī)房，通過中深層地巖熱熱泵機(jī)組與系統(tǒng)末端來的冷水完成換熱，然后再回到換熱井內(nèi)與巖土層換熱，系統(tǒng)末端來的冷水換熱后變成熱水供向系統(tǒng)末端；如此循環(huán)進(jìn)行。采用運(yùn)行模式4時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖10所示。

圖10 采用運(yùn)行模式4時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖Fig. 10 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 4

3.5 運(yùn)行模式5

在多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)采用運(yùn)行模式4的基礎(chǔ)上，如果天氣晴好，可以將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量并入用戶端供熱管路，實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)+中深層地巖熱熱泵機(jī)組”聯(lián)合向用戶端供熱模式，即采用運(yùn)行模式5。采用運(yùn)行模式5時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖11所示。

圖11 采用運(yùn)行模式5時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖Fig. 11 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 5

3.6 運(yùn)行模式6

從表2可以看到：非采暖季時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量很大，是采暖季時(shí)的2倍多。若這些熱量不能得到利用，會(huì)是巨大的浪費(fèi)，同時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)過熱也會(huì)影響其壽命。如果能將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)獲得的熱量利用中深層地巖熱換熱井來進(jìn)行儲(chǔ)熱，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱，則有望很好地解決上述問題。該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)向中深層地巖熱換熱井回補(bǔ)的管路，即運(yùn)行模式6，實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能+中深層地巖熱換熱井”儲(chǔ)熱，以便后續(xù)探索利用地巖熱換熱井實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱的可行性。采用運(yùn)行模式6時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖12所示。

圖12 采用運(yùn)行模式6時(shí)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理示意圖Fig. 12 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 6

需要說明的是，本文對(duì)非采暖季時(shí)利用中深層地巖熱換熱井實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱的相關(guān)分析不做贅述，將另文撰述。

4 多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試與分析

根據(jù)上述研究結(jié)果，在蘭州市建成太陽(yáng)能與中深層地巖熱互補(bǔ)供熱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)由1套中深層地巖熱供熱系統(tǒng)(含1口地巖熱換熱井)和1套太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)組成，換熱井的直徑為200 mm、深度為2500 m；采用雙蓋板藍(lán)膜平板式太陽(yáng)能集熱器，總集熱面積為202 m2(為實(shí)現(xiàn)土地高效利用，采用停車場(chǎng)與太陽(yáng)能集熱器陣列一體化設(shè)計(jì)，形成了12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)停車位)。在供熱管路上安裝3塊熱計(jì)量表，分別在線計(jì)量換熱井出口處的得熱量、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量和用戶端總供熱量。太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)景及控制系統(tǒng)界面如圖13所示。

圖13 太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)景及控制系統(tǒng)界面Fig. 13 Project photos and control system interface of solar energy and medium-depth strata geothermal multi energy complementary heating system

該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)建成后，在采暖季進(jìn)行了測(cè)試。以2018年2月3—5日的數(shù)據(jù)為例，采暖季時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量測(cè)試結(jié)果如表6、圖14所示。

圖14 2018年2月3—5日太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的逐時(shí)得熱量Fig. 14 Hourly heat gain of solar heat collection system from February 3 to February 5，2018

表6 采暖季時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of heat gain of solar heat collection system in heating season

從表6和圖14可以看出：測(cè)試期間，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的平均日累計(jì)得熱量為307 kWh，每分鐘最大得熱量為1.15 kWh。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以得到：測(cè)試期間，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的最高供水溫度為51.3 ℃、最高回水溫度為38.0 ℃，供回水溫差為13.3 ℃；平均供水溫度為45.0 ℃、平均回水溫度為35.1 ℃，供回水平均溫差為9.9 ℃。

項(xiàng)目建設(shè)地的采暖期為150天，從用戶端的熱計(jì)量表可以得到整個(gè)采暖期多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的總供熱量為418687 kWh。

由此，可計(jì)算得到多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的日均供熱量Qd，其計(jì)算式為：

式中：Qz為整個(gè)采暖期多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的總供熱量，kWh；t為整個(gè)采暖期的時(shí)長(zhǎng)，天，本文取150。

將整個(gè)采暖期內(nèi)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的總供熱量及整個(gè)采暖期的時(shí)長(zhǎng)代入式(1)，可以得到該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的日均供熱量為2791.2 kWh。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量在總供熱量中的占比n的計(jì)算式為：

式中：Qs為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的平均日得熱量，kWh，本文取307。

將相關(guān)數(shù)值代入式(2)，可以得到在采暖季，該太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量在總供熱量中的占比為11%，即太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可以為整個(gè)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)提供約11%的熱量。

5 結(jié)論

為了充分利用蘭州地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源和地?zé)豳Y源，本文開發(fā)了一種太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；然后在蘭州當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)了1套太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱面積為202 m2，單口中深層地巖熱換熱井直徑為200 mm、深度為2500 m的太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，并對(duì)其在采暖季的運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試分析。研究結(jié)果表明：

1)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的理論全年得熱量為133429 kWh，其在采暖季的得熱量占其全年得熱量的31.6%。

2)在連續(xù)取熱、地溫梯度30 ℃/km條件下，中深層地巖熱換熱井的熱影響半徑約為8 m，采暖季結(jié)束后約在120天地巖溫度可恢復(fù)，可實(shí)現(xiàn)中深層地巖熱持續(xù)供熱。

3)太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)有6種運(yùn)行模式，其可以根據(jù)用戶端熱負(fù)荷的變化情況和日照條件進(jìn)行自動(dòng)控制，靈活配置能源。

4)對(duì)于本多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，在采暖季，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的平均日得熱量為307 kWh，每分鐘最大得熱量為1.15 kWh；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的最高供水溫度為51.3 ℃、最高回水溫度為38.0 ℃，供回水溫差為13.3 ℃；平均供水溫度為45.0 ℃、平均回水溫度為35.1 ℃，供回水平均溫差為9.9℃。在采暖季，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可以為整個(gè)多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)提供約11%的熱量。

5)在非采暖季，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的理論得熱量占其全年得熱量的比例為68.4%，因此為充分利用太陽(yáng)能資源和使投資效益最大化，需設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱單元以儲(chǔ)存非采暖季時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量。本多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)了非采暖季的儲(chǔ)熱回路，以便利用中深層地巖熱換熱井實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱。

綜上所述，太陽(yáng)能與中深層地巖熱多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)利用中深層地巖熱供熱系統(tǒng)來解決因晝夜，陰、晴天氣等因素引起的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)不穩(wěn)定、不連續(xù)的問題；同時(shí)在日照條件良好的情況下，該系統(tǒng)可以利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行供熱，使中深層地巖熱供熱系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷降低，減輕連續(xù)取熱狀態(tài)下地巖熱換熱井的地巖溫度降低程度，有利于地巖溫度在短期內(nèi)恢復(fù)，使該多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加高效的為建筑供暖的目的。