郭 剛，閆 飛，陳秀清

（1.甘肅智廣地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

近20年來(lái)，中深層（1 500～3 000 m）地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、可持續(xù)的中低品位熱能，受到了持續(xù)且廣泛的關(guān)注。特別在清潔供暖領(lǐng)域，國(guó)家在戰(zhàn)略和政策層面均給予了大力支持[1]。與淺層地?zé)崮芟啾?，中深層地?zé)豳Y源具有地溫穩(wěn)定、開(kāi)采利用占地面積小、對(duì)地質(zhì)條件要求較少、不污染地下水、生態(tài)影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于年冷熱負(fù)荷嚴(yán)重失衡的嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)[2]。

目前，開(kāi)采中深層地?zé)崮艿募夹g(shù)/設(shè)備形式主要有2種，即同軸套管式換熱器和U形鉆孔換熱器（圖1）。其中U形鉆孔換熱器是近些年發(fā)展迅速的新技術(shù)，其標(biāo)稱取熱量通常在1 000 kW以上，約為相同開(kāi)采條件下同軸套管式換熱器取熱量的2倍。同時(shí)，盡管U形鉆孔的施工成本較高，其單位長(zhǎng)度的循環(huán)流體壓降卻比同軸套管式換熱器低得多。隨著鉆孔技術(shù)的進(jìn)步，U形鉆孔的施工成本將被控制在合理范圍內(nèi)，而其出色的取熱能力和流動(dòng)特性注定其成為中深層鉆孔換熱技術(shù)的主流[3]。

圖1 2種開(kāi)采中深層地?zé)崮艿募夹g(shù)/設(shè)備形式

甘肅省境內(nèi)中深層地?zé)豳Y源分布并不均勻，總體上呈中部高，東、西部低的分布規(guī)律。若以60 mW/m2大地?zé)崃髦禐榉謪^(qū)界線，低熱流區(qū)主要分布在永登縣—臨洮縣以西和靖遠(yuǎn)縣—定西市以東的地區(qū)；高熱流區(qū)主要分布在兩者之間的地帶。此外，在民和縣東北部還存在一個(gè)小范圍的孤立高熱流區(qū)，已有地?zé)峋度腴_(kāi)發(fā)利用。榆中縣—白銀市一帶存在一個(gè)橢圓形高熱流區(qū)，大地?zé)崃髦蹈哂?5 mW/m2，高于中國(guó)大陸地區(qū)大地?zé)崃鞯钠骄剑?1.5 mW/m2）。因此，該區(qū)域是蘭州地區(qū)開(kāi)發(fā)利用中深層地?zé)豳Y源的主要選區(qū)。

2 系統(tǒng)原理

中深層地源熱泵與傳統(tǒng)地源熱泵的制熱原理一致。兩者的區(qū)別在于熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱回路。以中深層U形鉆孔換熱回路為例，從熱泵蒸發(fā)器流出的低溫水進(jìn)入U(xiǎn)形鉆孔換熱器的回水管，一路下行至中深層巖體，繼而水平或傾斜流動(dòng)至最低處，轉(zhuǎn)而一路上行，從U形鉆孔換熱器的出水管流出。此時(shí)，原本低溫的回水已被巖土加熱至中溫水平，返回?zé)岜谜舭l(fā)器并向制冷劑釋放熱量，繼而再次成為低溫水進(jìn)入U(xiǎn)形鉆孔換熱器，完成一個(gè)閉式水循環(huán)。蒸發(fā)器中的制冷劑吸收U形鉆孔換熱器循環(huán)水中的熱能，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪旱娘柡驼羝M(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后成為高溫高壓的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)冷凝器向用戶側(cè)循環(huán)熱水釋放熱量，達(dá)到供暖目的。釋放熱量后的制冷劑凝結(jié)為液體，進(jìn)入膨脹裝置，成為低溫低壓的制冷劑兩相混合物，再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸收來(lái)自U形鉆孔換熱器循環(huán)水中的熱能，完成一個(gè)熱泵循環(huán)。圖2為中深層地源熱泵系統(tǒng)原理。

圖2 中深層地源熱泵系統(tǒng)原理

與傳統(tǒng)地源熱泵相比，中深層地源熱泵的蒸發(fā)溫度提高了10°C以上，顯著減小了壓縮機(jī)的功耗，提升了制熱能效，也改善了熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3 分析方法

3.1 地下傳熱模型

U形鉆孔換熱器的傳熱效能是影響中深層地源熱泵性能的核心因素。在分析熱泵性能之前，非常有必要明確U形鉆孔換熱器的傳熱特性。

U形鉆孔換熱器的傳熱過(guò)程跨越多個(gè)時(shí)空尺度數(shù)量級(jí)。為保證計(jì)算過(guò)程穩(wěn)健，須適度簡(jiǎn)化其傳熱模型如下：1）地下巖土層的傳熱機(jī)制僅有熱傳導(dǎo)；2）所有傳熱介質(zhì)均視為均質(zhì)或分層均質(zhì)，其熱物理性質(zhì)不隨溫度變化；3）大地?zé)崃鲝牡厍騼?nèi)部傳遞到地表，產(chǎn)生了均勻向上的低溫梯度；4）地表溫度的全年變化符合諧波規(guī)律，不考慮地下水的影響；5）下降鉆孔、水平/傾斜鉆孔和上升鉆孔周圍巖土的傳熱不存在相互影響；6）U形鉆孔換熱器進(jìn)出口溫差取決于蒸發(fā)器負(fù)荷。

U形鉆孔換熱回路內(nèi)循環(huán)水的初始條件與邊界條件如下：

U形鉆孔周圍巖土的初始條件與邊界條件如下：

U形鉆孔換熱器管道內(nèi)循環(huán)流體的能量方程根據(jù)等效熱阻法建立：

巖土體的能量方程，須引入一個(gè)變量代換如公式（4）所示，以合理分配網(wǎng)格密度，增強(qiáng)求解過(guò)程的穩(wěn)健性。經(jīng)線性變換后，巖土體能量方程如式（5）所示。

式中各變量的物理意義及其取值規(guī)則可參考文獻(xiàn)[4]。部分物性參數(shù)，可根據(jù)文獻(xiàn)[5]和普查結(jié)果確定。據(jù)此可計(jì)算中深層U形鉆孔換熱器在蘭州石佛溝應(yīng)用的傳熱特性。

3.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

在了解U形鉆孔換熱器傳熱性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱力學(xué)完善度評(píng)價(jià)中深層地源熱泵系統(tǒng)在任意時(shí)期的運(yùn)行效果。熱力學(xué)完善度由效率定義，表征系統(tǒng)獲得與付出的比值如式（6），可提供跨工況、跨場(chǎng)景的方案比較：

4 結(jié)果分析與討論

根據(jù)已有研究和實(shí)際項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合本地的地?zé)豳Y源和經(jīng)濟(jì)狀況，蘭州石佛溝地區(qū)中深層U形鉆孔換熱器的鉆孔深度應(yīng)在2 500 m為宜，水平/傾斜段長(zhǎng)度應(yīng)在600 m為宜。鉆孔換熱器內(nèi)循環(huán)水流量應(yīng)在60 m3/h為宜。據(jù)此計(jì)算鉆孔換熱器的取熱能力、熱泵系統(tǒng)的供熱效能。

圖3反映了不同大地?zé)崃鳁l件下，中深層U形鉆孔換熱器的取熱能力。如圖3所示，所研究區(qū)域的大地?zé)崃髦堤幱?5～70 mW/m2，對(duì)應(yīng)取熱能力1 130～1 200 kW。該值與國(guó)內(nèi)外已有項(xiàng)目數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明石佛溝地區(qū)滿足中深層地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的初步要求。

圖3 大地?zé)崃鲗?duì)鉆孔換熱器取熱能力的影響

圖4反映了1個(gè)供暖周期內(nèi)鉆孔換熱器進(jìn)出口水溫的變化。如圖4所示，經(jīng)歷1個(gè)完整的供暖季，鉆孔換熱器進(jìn)口溫度由24.0 °C下降至8.0 °C，出口溫度由40.0 °C下降至24.0 °C，進(jìn)出口溫差穩(wěn)定在16.0 °C。據(jù)此設(shè)計(jì)熱泵蒸發(fā)器為雙級(jí)串聯(lián)模式。

圖4 供暖周期內(nèi)鉆孔換熱器進(jìn)出口水溫變化

圖5反映了1個(gè)供暖周期內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)熱力學(xué)完善度的變化，并與空氣源熱泵系統(tǒng)熱力學(xué)完善度進(jìn)行了比較。如圖5所示，相比于空氣源熱泵系統(tǒng)，在供暖穩(wěn)定后，中深層地源熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度更高，一則說(shuō)明石佛溝地?zé)崞肺惠^好，熱泵運(yùn)行壓差較小，壓縮機(jī)功耗較低；二則說(shuō)明蘭州地區(qū)中深層地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性優(yōu)于空氣源熱泵系統(tǒng)。

圖6反映了鉆孔周圍的巖土溫度。如圖6（a）所示，在大地?zé)崃髋c鉆孔換熱器的共同作用下，鉆孔周圍巖土溫度分布總體呈現(xiàn)上低下高的特征。由于計(jì)算時(shí)假設(shè)大地?zé)崃鞔怪庇诘乇硐蛏希瑘D中等溫線平行于地平線。此外，越靠近鉆孔的巖土溫度越低，鉆孔換熱器取熱的影響在鉆孔外2 m處已不明顯，這是巖土導(dǎo)熱系數(shù)及其熱容量共同影響的結(jié)果。

圖6（b）反映了U形鉆孔底部巖土平均溫度的年變化情況。如圖6（b）所示，該處平均溫度整體上呈現(xiàn)周期變化，最高溫度隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行超過(guò)20年后，最高溫度的變化已不明顯，說(shuō)明鉆孔周圍巖土溫度分布模式達(dá)到穩(wěn)定。圖6（c）以50年為時(shí)間窗口觀察了U形鉆孔底部巖土平均溫度的變化。如圖6（c）所示，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，鉆孔周圍巖土溫度的波動(dòng)可忽略不計(jì)，其整體上穩(wěn)定在55 °C以上，為地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

圖7（a）、圖7（b）分別顯示了中深層地源熱泵系統(tǒng)在50年內(nèi)運(yùn)行的供熱水溫及熱力學(xué)完善度變化情況。如圖7所示，熱泵系統(tǒng)的供熱水溫、熱力學(xué)完善度的年差逐年減小，并在系統(tǒng)運(yùn)行20年后趨于0，且穩(wěn)定在較高水平，說(shuō)明蘭州地區(qū)中深層地溫場(chǎng)自我恢復(fù)能力良好，地?zé)豳Y源具備長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)的條件，能保證地源熱泵系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖7 中深層地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行性能

綜上，蘭州地區(qū)中深層地?zé)豳Y源良好，具備長(zhǎng)期開(kāi)采的條件。使用地源熱泵系統(tǒng)開(kāi)采中深層地?zé)豳Y源可實(shí)現(xiàn)“取熱不取水”，且取熱能力穩(wěn)定、循環(huán)水溫波動(dòng)小、熱泵運(yùn)行壓差小、壓縮機(jī)功耗低、熱力學(xué)完善度高。更重要的是系統(tǒng)長(zhǎng)周期供熱運(yùn)行的可靠性高、能力不衰減，與淺層地源熱泵系統(tǒng)相比，中深層地源熱泵系統(tǒng)對(duì)年冷熱負(fù)荷不平衡的適應(yīng)性更強(qiáng)，更適合在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)使用。

4 結(jié)論

（1）蘭州地區(qū)中深層U形鉆孔換熱器的取熱能力在1 130～1 200 kW，與國(guó)內(nèi)外已有項(xiàng)目數(shù)據(jù)基本一致，具備開(kāi)發(fā)的初步要求。

（2）在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，鉆孔周圍巖土溫度的波動(dòng)可忽略不計(jì)，其整體上穩(wěn)定在55 °C以上，為地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

（3）中深層地源熱泵系統(tǒng)的供熱水溫、熱力學(xué)完善度年差逐年減小，并在系統(tǒng)運(yùn)行20年后趨于0，且穩(wěn)定在較高水平，說(shuō)明蘭州地區(qū)中深層地溫場(chǎng)自我恢復(fù)能力良好，地?zé)豳Y源具備長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)的條件，能保證地源熱泵系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）與空氣源熱泵系統(tǒng)相比，在供暖穩(wěn)定后，中深層地源熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度更高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好。