郭海明，吳軍虎，胡平放，任虎俊，張 靜，李振興

(1.中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

中深層地?zé)崮芊植紡V泛，綠色環(huán)保，屬于清潔低碳的可再生能源，可用于建筑供暖[1-2]，在當(dāng)今能源短缺的形勢(shì)下引起了越來越多的關(guān)注[3-4]。2021年國家發(fā)展和改革委員會(huì)等八部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的若干意見》指出：“大力推進(jìn)中深層地?zé)崮芄┡?。根?jù)資源情況和市場需求，在京津冀、山西、山東、陜西、河南、青海等區(qū)域大力推進(jìn)中深層地?zé)崮芄┡?。鼓?lì)各地在進(jìn)行資源評(píng)估、環(huán)境影響評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)性測算的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況選擇‘取熱不耗水、完全同層回灌’或‘密封式、井下?lián)Q熱’技術(shù)，最大程度減少對(duì)地下土壤、巖層和水體的干擾”。

中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)屬于“取熱不取水”方式，目前已有少量研究與應(yīng)用。CAI等[5]、LIU等[6]、HUANG等[7]、左婷婷等[8]通過數(shù)值模型對(duì)中深層地埋管傳熱性能及其影響因素進(jìn)行了分析；王德敬等[9]通過模擬研究，給出了中深層地埋管換熱器名義取熱量估算線圖；李驥等[10]對(duì)西安市兩個(gè)中深層地埋管供熱項(xiàng)目進(jìn)行了運(yùn)行工況連續(xù)測試，分析了熱源側(cè)和用戶側(cè)的供熱量、熱泵機(jī)組效率、系統(tǒng)效率等關(guān)鍵指標(biāo)；趙仕龍[11]分析了某中深層地?zé)峋慕?jīng)濟(jì)性；陽春等[12]介紹了河南省和陜西省兩個(gè)中深層地埋管地源熱泵在住宅小區(qū)的應(yīng)用情況；趙陽[13]通過試驗(yàn)研究了同軸套管換熱器中深層地?zé)崮懿蔁嵯到y(tǒng)換熱效率和傳熱特性；鄧杰文等[14]對(duì)4個(gè)中深層地埋管項(xiàng)目進(jìn)行了連續(xù)48 h以上的監(jiān)測，得到了單位管長換熱量、系統(tǒng)能效、出水溫度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其單位長度取熱量可達(dá)常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)的2.0～3.6倍。總體而言，目前對(duì)中深層地埋管地源熱泵實(shí)際項(xiàng)目的測試資料較少，而對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試研究，獲得更多有益資料，對(duì)指導(dǎo)該技術(shù)的推廣應(yīng)用很有必要。因此，本文對(duì)陜西省某中深層地?zé)峋芈窆茼?xiàng)目進(jìn)行了換熱量及系統(tǒng)性能測試，獲得了部分?jǐn)?shù)據(jù)，以期為中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

1 研究背景

陜西省某礦區(qū)生活區(qū)、辦公區(qū)和工業(yè)區(qū)的面積總計(jì)12萬km2，原供暖方式為燃?xì)忮仩t，每年的燃?xì)赓M(fèi)超過2 000萬元，供暖費(fèi)用較高，且氣源緊張。為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，解決燃?xì)夤豳M(fèi)用較高問題，該礦區(qū)研究決定利用中深層地?zé)崆鍧嵞茉垂┡?，通過先行先試建立示范項(xiàng)目，項(xiàng)目成熟后再逐步替代原燃?xì)夤┡到y(tǒng)。

該項(xiàng)目采用單井同軸套管換熱技術(shù)，通過地?zé)峋?地源熱泵供暖方式將1#住宅樓、2#住宅樓作為試點(diǎn)進(jìn)行集中供暖，試點(diǎn)建筑物共11層，高40 m，供暖面積約1.6萬km2。因建筑末端為鑄鐵暖氣片，且供暖方式為上下串聯(lián)，即熱水從十一層入戶，逐層串聯(lián)至一層出戶，供暖熱水溫度要求較高，最冷日供暖熱水溫度需要達(dá)到80 ℃以上。為了不改變末端供暖形式，決定采用高溫?zé)岜脵C(jī)組。

該地?zé)峋睆綖?11 mm，井深3 183 m，井底溫度107 ℃，是目前國內(nèi)深度最深、井底溫度最高的“取熱不取水”地?zé)峋?圖1)。地面建立了自動(dòng)化遠(yuǎn)程操控的高溫?zé)岜?節(jié)能自控系統(tǒng)，能夠滿足建筑在極寒氣候條件下進(jìn)行供暖作業(yè)，同時(shí)應(yīng)用高效換熱裝置及高導(dǎo)熱固井材料，有利于提高深井的換熱效果。

圖1 中深層地埋管換熱器結(jié)構(gòu)圖

2 中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理與試驗(yàn)流程

1) 系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)主要由單井同軸套管換熱器、高溫?zé)岜脵C(jī)組、換熱設(shè)備及附屬設(shè)備組成。向巖層中鉆進(jìn)一定深度(1 500～3 000 m，井底溫度70～120 ℃)的地?zé)峋氯胩坠?，采用高?dǎo)熱固井材料和固井工藝固井，并在井內(nèi)安裝高隔熱性能的中心管組成單井同軸套管換熱器。在地上循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下井下高溫地?zé)崴畯闹行墓軆?nèi)流出作為高溫?zé)岜脵C(jī)組的熱源，利用熱泵原理將能量轉(zhuǎn)移與提升，使系統(tǒng)水達(dá)到建筑物采暖所需的供熱溫度(80 ℃)，從而穩(wěn)定地向建筑物供暖，而地?zé)峋畟?cè)被提取溫度降溫后的冷卻水再次通過中心管與套管間的環(huán)腔進(jìn)入井下，經(jīng)地層熱儲(chǔ)不斷提取深層地?zé)幔俳?jīng)中心管流出，如此往復(fù)循環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)中深層地?zé)帷叭岵蝗∷保瑫r(shí)長期為建筑物供熱。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2) 系統(tǒng)試驗(yàn)流程。①動(dòng)力柜主電源供電，機(jī)房設(shè)備、自控柜供電；②打開監(jiān)控軟件，記錄地面機(jī)房換熱參數(shù)；③啟動(dòng)定壓補(bǔ)水裝置向地?zé)醾?cè)管路、二次側(cè)管路、用戶側(cè)管路補(bǔ)水；④依次啟動(dòng)用戶循環(huán)泵、二次循環(huán)泵、地?zé)嵫h(huán)泵及熱泵機(jī)組；⑤運(yùn)行結(jié)束時(shí)，輕觸“停機(jī)”按鈕，熱泵機(jī)組停機(jī)，二次循環(huán)泵和地?zé)嵫h(huán)泵停止，用戶循環(huán)泵停止。

2.2 機(jī)房設(shè)備配置

地?zé)峋S管換熱機(jī)房相關(guān)設(shè)備及其型號(hào)參數(shù)見表1。

表1 中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)機(jī)房設(shè)備配置表

3 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

3.1 測試方法

該項(xiàng)目中地?zé)峋疄樨Q直井，井深長度3 183 m，中心管入井總長度為3 150 m。為了獲得地下平均溫度、地?zé)峋崮芰拖到y(tǒng)性能，進(jìn)行了四種工況測試，具體如下所述。

1) 巖土層初始平均溫度測試工況：僅中深層地埋管回路循環(huán)運(yùn)行，時(shí)間為2021年2月10日—2月11日(24 h)。

2) 取熱能力測試工況：2021年2月18日(2 h)，循環(huán)水用戶側(cè)閥門關(guān)閉，系統(tǒng)運(yùn)行至循環(huán)水溫達(dá)到設(shè)定值。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行工況一：2021年2月23日—3月3日(8 d)，末端側(cè)接通2#住宅樓(建筑面積9 078 m2，室內(nèi)暖氣片散熱)，系統(tǒng)帶負(fù)荷運(yùn)行。

4) 系統(tǒng)運(yùn)行工況二：2021年3月17日—3月23日(6 d)，末端側(cè)接通1#住宅樓、2#住宅樓(建筑面積1.6萬m2，室內(nèi)暖氣片散熱)，系統(tǒng)帶負(fù)荷運(yùn)行。

3.2 巖土層靜態(tài)初始溫度分布

通過專用測溫儀測得地?zé)峋壮跏紲囟葹?07 ℃，從地面到地下3 183 m的靜態(tài)溫度沿井深方向基本呈線性變化(圖3)，平均溫度為70.6 ℃。

3.3 巖土層初始平均溫度測試工況

巖土層初始平均溫度測試從2021年2月10日12點(diǎn)開始，到2021年2月11日12點(diǎn)結(jié)束，僅地埋管回路循環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行24 h后，循環(huán)流體溫度基本穩(wěn)定。地?zé)峋骄髁繛?3 m3/h，地?zé)峋┧疁囟入S時(shí)間變化曲線如圖4所示。地?zé)峋┧疁囟确€(wěn)定值為70.3 ℃，該溫度近似代表地?zé)峋牡叵聨r土平均溫度。對(duì)比圖3可知，該平均溫度與沿井深方向不同深度地下溫度的平均溫度近似相同。

圖3 地?zé)峋貙映跏紲囟惹€圖

圖4 單井循環(huán)工況地?zé)峋┧疁囟茸兓€圖

3.4 最大取熱能力測試工況

取熱能力測試采用末端系統(tǒng)無負(fù)荷運(yùn)行方式，即關(guān)閉系統(tǒng)與負(fù)荷端連接管路閥門，開啟內(nèi)環(huán)路循環(huán)，啟動(dòng)機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行，供水溫度逐漸上升，至目標(biāo)溫度80 ℃時(shí)結(jié)束。 運(yùn)行2 h，地?zé)峋髁繛?3 m3/h，用戶側(cè)水流量104 m3/h。在板式換熱器(換熱裝置)與地?zé)峋h(huán)回路端，設(shè)有電子三通調(diào)節(jié)閥，如果地?zé)峋鞒龅牧黧w溫度過高、流量較大，地?zé)峋妮敵鰺崃看笥跓岜脵C(jī)組蒸發(fā)器需求熱量，則通過調(diào)節(jié)電子三通調(diào)節(jié)閥開度，使地?zé)崴苯优酝骰刂恋責(zé)峋?，在此過程中流經(jīng)換熱裝置的水流量和溫度不斷波動(dòng)，這也使得地?zé)峋厮疁囟炔▌?dòng)較大。測量用戶側(cè)、地?zé)峋畟?cè)供/回水溫度，熱功率、設(shè)備電功率等參數(shù)如圖5所示。

圖5 取熱能力測試工況用戶側(cè)、地?zé)峋畟?cè)供/回水溫度變化曲線圖

由圖5可知，取熱能力測試工況運(yùn)轉(zhuǎn)期間，熱泵機(jī)組由0%逐漸加載至100%，直至用戶側(cè)供水溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，熱泵機(jī)組卸載停機(jī)。測試期間，用戶側(cè)供/回水溫度平穩(wěn)上升至目標(biāo)溫度；地?zé)峋畟?cè)供水溫度由62 ℃逐漸降低至59 ℃，曲線無波動(dòng)；為保證熱泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水溫度穩(wěn)定在15～25 ℃，地?zé)峋畟?cè)回水溫度呈規(guī)律性波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大。熱泵機(jī)組100%運(yùn)行時(shí)，用戶側(cè)熱功率平均為1 121 kW，機(jī)房總功率為490 kW，地?zé)峋疅峁β势骄鶠?92 kW，單位管長換熱量為217.4 W/m，該數(shù)值可視為地?zé)峋谠摴┗厮疁囟认碌淖畲笕崃俊４藭r(shí)地?zé)峋畟?cè)供回水溫度均較高，如果進(jìn)一步增大熱泵的負(fù)荷，加大地?zé)峋畟?cè)供回水溫差，其換熱量會(huì)進(jìn)一步增大。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行工況

因測試時(shí)天氣轉(zhuǎn)暖，末端負(fù)荷減小，熱泵機(jī)組(2臺(tái)壓縮機(jī))只啟動(dòng)運(yùn)行了1臺(tái)壓縮機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行工況一：對(duì)2#住宅樓進(jìn)行供暖作業(yè)，供熱面積為0.9萬m2，2021年2月23日12點(diǎn)開始，2021年3月3日8點(diǎn)結(jié)束，地?zé)峋髁繛?0 m3/h，用戶側(cè)目標(biāo)溫度70 ℃，運(yùn)行時(shí)間188 h；系統(tǒng)運(yùn)行工況二：對(duì)1#住宅樓、2#住宅樓進(jìn)行供暖作業(yè)，供熱面積1.6萬m2，2021年3月17日開始，2021年3月23日結(jié)束，運(yùn)行時(shí)間144 h。因其他原因系統(tǒng)暫停運(yùn)行9 d后，開始測試系統(tǒng)運(yùn)行工況二，保證了系統(tǒng)運(yùn)行工況二測試過程的連續(xù)性，截取時(shí)間為系統(tǒng)出水溫度為50 ℃時(shí)開始。

系統(tǒng)運(yùn)行工況一時(shí)，用戶側(cè)供/回水溫度、地?zé)峋畟?cè)供/回水溫度、瞬時(shí)流量、熱功率等參數(shù)隨時(shí)間變化情況如圖6～圖8所示。由圖6～圖8可知，系統(tǒng)運(yùn)行工況一測試期間熱泵機(jī)組采用單壓縮機(jī)運(yùn)行， 用戶側(cè)水流量平均為115.9 m3/h， 用戶側(cè)供水溫度基本穩(wěn)定在65～70 ℃之間；地?zé)峋畟?cè)供水溫度由61 ℃降低到56 ℃，平均溫度58.6 ℃； 由于用戶側(cè)負(fù)荷較小，熱泵機(jī)組采用間歇式運(yùn)行，停機(jī)次數(shù)較多，用戶側(cè)和地?zé)峋畟?cè)供回水溫度、熱功率呈規(guī)律性波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大；累計(jì)熱量和電能呈比例穩(wěn)定增長。運(yùn)行測試期間，用戶側(cè)日熱量、地?zé)峋畟?cè)日熱量和設(shè)備日總電能較均衡。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行工況一用戶側(cè)供/回水溫度變化曲線圖

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行工況一地?zé)峋畟?cè)供/回水溫度變化曲線圖

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行工況一地?zé)峋疅峁β首兓€圖

系統(tǒng)運(yùn)行工況二時(shí)，選取2021年3月17日—2021年3月23日的用戶側(cè)、地?zé)峋畟?cè)的供/回水溫度、熱功率等參數(shù)，為保證系統(tǒng)測試準(zhǔn)確性，系統(tǒng)運(yùn)行工況二的起始記錄從出水溫度為50 ℃時(shí)開始，其隨時(shí)間變化曲線如圖9～圖11所示。由圖9～圖11可知，系統(tǒng)運(yùn)行工況一測試期間熱泵機(jī)組采用單壓縮機(jī)運(yùn)行，用戶側(cè)流量104.5 m3/h，地?zé)峋骄髁?1.5 m3/h，地?zé)峋鏊疁囟然痉€(wěn)定在57.7 ℃，地?zé)峋M(jìn)水溫度基本穩(wěn)定在56.2 ℃，由于用戶側(cè)負(fù)荷較小，熱泵機(jī)組采用間歇式運(yùn)行，用戶側(cè)供/回水溫度、地?zé)峋畟?cè)供回水溫度均呈規(guī)律性波動(dòng)，受測溫點(diǎn)監(jiān)測溫度滯后影響，地?zé)峋疅崃坎▌?dòng)幅度較大；運(yùn)行測試期間，用戶側(cè)日熱量、地?zé)峋畟?cè)日熱量和設(shè)備日總電能較均衡。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行工況二用戶側(cè)供/回水溫度變化曲線圖

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行工況二地?zé)峋畟?cè)供/回水溫度變化曲線圖

圖11 系統(tǒng)運(yùn)行工況二地?zé)峋疅崃孔兓€圖

3.6 地?zé)峋到y(tǒng)參數(shù)分析

根據(jù)地?zé)峋囘\(yùn)行結(jié)果，該中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表2(末端為鑄鐵暖氣片)。

表2 中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)分析

初期測試時(shí)，熱泵機(jī)組雙機(jī)頭全負(fù)荷運(yùn)行，該中深層地埋管系統(tǒng)的單位管長換熱量為217.4 W/m，處于目前國內(nèi)中深層地埋管系統(tǒng)中的較高水平[1,3-4,7]。 帶室內(nèi)負(fù)荷全系統(tǒng)試運(yùn)行8 d 188 h(系統(tǒng)運(yùn)行工況一)，熱泵機(jī)組為單壓縮機(jī)間歇式運(yùn)行，換熱參數(shù)呈規(guī)律性波動(dòng)。地?zé)峋畽C(jī)房總功率144 kW，用戶側(cè)熱功率286 kW。系統(tǒng)平均綜合能效比為1.99(此時(shí)系統(tǒng)部分負(fù)荷率約為25%)。初步分析系統(tǒng)末端為散熱片，供水溫度較高、負(fù)荷偏小等是能效比偏低的主要原因。由系統(tǒng)運(yùn)行工況二測試可知，由于環(huán)境溫度升高，室內(nèi)負(fù)荷減小，地?zé)峋墓┧疁囟茸兓淮?，但回水溫度有所提升?/p>

4 運(yùn)行費(fèi)用分析

2020年該礦區(qū)所在地各用電時(shí)段電價(jià)實(shí)行分時(shí)電價(jià)，在地?zé)峋?4 h基本平穩(wěn)運(yùn)行的情況下，根據(jù)峰谷段電價(jià)加權(quán)平均后的單價(jià)為0.53元/kW·h。系統(tǒng)運(yùn)行工況一和系統(tǒng)運(yùn)行工況二的系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析見表3。在2021年3月17日—2021年3月23日期間，系統(tǒng)運(yùn)行工況二供熱面積1.6萬m2情況下，單位面積運(yùn)行電費(fèi)較系統(tǒng)運(yùn)行工況一(供熱面積0.9萬m2)更低，這是由于系統(tǒng)運(yùn)行工況二的環(huán)境溫度升高、建筑熱負(fù)荷減小所致。該項(xiàng)目采用原燃?xì)忮仩t供熱時(shí)，平均每月每平米運(yùn)行費(fèi)用約7.6元，應(yīng)用該中深層地?zé)嵩礋岜霉┡螅到y(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較原燃?xì)夤┡M(fèi)用明顯下降。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

該項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)，兩階段供熱面積依次僅為0.9萬m2和1.6萬m2，因末端負(fù)荷所限，熱泵機(jī)組只承載25%～50%，運(yùn)行過程中每小時(shí)均有停機(jī)卸載現(xiàn)象，若熱泵機(jī)組100%運(yùn)行，則約可滿足3萬m2建筑的供暖。

5 結(jié) 論

對(duì)陜西省某礦區(qū)某3 183 m深中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了巖土層初始平均溫度、地?zé)峋崮芰盁岜孟到y(tǒng)運(yùn)行工況測試，結(jié)論如下所述。

1) 該地?zé)峋壮跏紲囟葹?07 ℃，不同深度巖土層初始平均溫度為70.3 ℃。該中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)在地?zé)峋畟?cè)進(jìn)出水溫度(>50 ℃)均較高的情況下，單位管長換熱量為217.4 W/m，處于目前國內(nèi)中深層地埋管系統(tǒng)中的較高水平。

2) 用戶側(cè)供水溫度為70 ℃，末端采用散熱片，系統(tǒng)部分負(fù)荷率約為25%時(shí)，該中深層地埋管地源熱泵系統(tǒng)平均綜合能效比為1.99，總體偏低，負(fù)荷偏小、供水溫度較高是系統(tǒng)能效比偏低的主要原因。建議末端散熱器采用地板輻射供暖方式，降低供水溫度，提高系統(tǒng)能效潛力。