上海 201201
摘要：采用井内换热技术的中深层地源热泵系统通过套管式换热装置实现了中深层地热“取热不取水”的利用方式。本文介绍了中深层地热井内换热供热技术的原理，通过对某项目热源温度、取热量和系统效率等实际运行数据的分析，提出了该技术推广应用亟需解决的问题，对该系统的应用提供了指导。
关键词：井内换热；中深层地热；热泵系统
前言：
近年来，随着勘探技术和地下换热装置的研发，各种深度的地热能逐渐被发掘，其中对于深度在2km到3km，岩层温度70~120℃左右的中深层地热能，之前由于开采难度较大且温度无法达到发电的要求，实际利用较少。对于这部分中深层地地热能，如果能够通过密闭换热装置从中取热，在不破坏地下环境的前提下作为热泵机组的低温热源，可以使得热泵机组运行在更小的压缩比的高效工况，从而实现供热系统节能。
RybachL和HopkirkRJ早在1995就提出了利用深井换热技术开采中深层水热型地热能为建筑供暖的思路。随后，国内外有多人对相关机理进行了分析研究，匈牙利密什科尔茨大学的AnikoToth和ElemerBobok利用半数值模拟的方式指出了干孔取热的局限性，中国科学院孔彦龙等人通过解析法和数值法分别计算了我国北方地区典型地热地质条件下的深井换热量。近年来，我国也开始了中深层地热“取热不取水”利用方式的探索和尝试，在陕西等地建立了数个中深层地源热泵项目。
1中深层地热井内换热供热技术原理
中深层地热井内换热供热系统原理示意图如下，主要由中深层地热井（含密闭换热装置）、热源侧水系统，高温热泵机组和建筑供暖末端侧水系统组成。
图1中深层地热井内换热供热系统原理
中深层地热井内换热供热技术（又称套管换热技术）通过钻机向地下（约2000-3000米）钻孔至高温（一般为70~120℃）岩层，在钻孔中安装换热装置，通过换热器内工质的循环实现井内换热，将地下深处的热能导出，并通过专用高温热泵机组向地面建筑物供热的一种清洁能源供热新技术。
作为该系统的核心的中深层地热井内换热装置，采用套管式结构：在一口钻井内安装一个同轴套管，循环介质（水）在热源侧循环泵驱动下，从外套管向下流动，与周边土壤及岩石层进行换热温度升高，到达套管底部后再通过内管向上流出换热装置。热水到达地面后，进入高温型热泵机组蒸发器放热降温后再进入地下换热循环，将周边岩石（土）中的热量带到地面，循环运行，实现利用中深层地热能向建筑物稳定高效供热的目的。
2性能分析
2.1热源温度
在48h的连续测试期间，四个项目单井取热量分别为258kW、158kW、288kW和244kW，热源侧换热器单位长度取热量范围是79-144W/m。相比于常规浅层地埋管地源热泵系统的热源侧换热器单位长度取热量40W/m，中深层地源热泵系统的井内换热器单位长度取热量为常规地源热泵系统的2.0~3.6倍。
在地热条件和换热结构确定的情况下，单位长度取热量和水温与水量关系密切。水温越低，换热温差越大，换热量越大；水量越大，换热越充分，换热量越大。
四个项目中，项目C平均水温最低，换热量也最大；项目B平均水温最高，水流量最小，换热量也最小。
根据48h的连续运行测试情况，中深层地源热泵机组和系统的能效相较于常规的浅层地源热泵和空气源热泵系统等都有较为明显的提升。对于热泵机组来说，蒸发温度和冷凝温度对能效起着至关重要的作用，因此热泵机组冷凝器出水温度和蒸发器出水温度对COP有着重要影响。中深层地热系统由于热源温度较高，所以热泵机组也有较高的COP。四个项目热泵机组COP最低为4.35，最高为5.64；项目C的地热井进水温度仅有8℃，也对应着最低的热泵机组COP。由于地热出水的温度高，所以单位质量的水可以利用的热量多，在地热侧比较容易实现“大温差小流量”的运行模式，有助于提高热源侧输配系数和热源的COP。同时，四个项目系统综合COP为3.29-3.61，也达到了常规热泵系统的水平。
3对采用井内换热技术的中深层地源热泵系统的思考
采用井内换热技术的中深层地源热泵系统虽然有一些项目已经投入了实际运行，也取得了一定的效果，但是整体而言，该技术在我国还处于探索阶段，实际工程经验还比较缺乏，运行数据还不够完善。这项技术要实现大规模的推广应用，还有一些亟待解决的问题。
1）取热量衰减快
目前国内公开的运行数据较少，且都是在较短的运行时间内的数据，一个采暖季连续的运行状况甚至连续多年的运行数据还十分匮乏。对于实际工程项目而言，供热系统必须保证在全生命周期稳定可靠的供热，因此长期稳定的取热量才更有实际意义。根据笔者参与的相关项目实际运行情况表明，单井取热量在项目运行初期取热量较大，但是在连续运行一周左右会有非常明显的衰减。如果没有足够的时间进行恢复，连续运行取热量将很快衰减，直至达到相对的稳定值。而上文中提到的实际运行48h的数据显示，单位长度平均换热量为79-144W/m，美国夏威夷项目的短期峰值取热量甚至可达到189W/m，而国外运行时间较长的实际项目案例，单位长度换热量也多在100W/m以下。因此还需进行大量的实际运行数据进行分析研究，探索其中的规律，为实际工程应用提供指导。
2）投资大
目前制约采用井内换热技术的中深层地源热泵系统推广应用的重要因素之一是系统投资大。在中深层地源热泵项目投资中，井下部分的投资占比较大。地下部分投资强度根据地质条件的不同会有较大差异，地质有利地区约为1000元/m，地质较为复杂地区可达2000元/m。若某项目干式井深2500m，地下部分成本取1500元/m，则该中深层干式地热井的造价约375万元。显然项目的初投资远远高于常规采暖系统，从而造成项目回收期较长，经济性较差。
3）地质条件限制
与水热型中深层地热利用不同，采用井内换热技术的中深层地源热泵系统不需要寻找地下中深层水资源，但是地质条件对项目的成功与否依然起着决定性的作用。首先，不同的地质条件，钻井难度差异很大，钻井工艺也有不同，钻井费用差异较大；其次，不同的地质条件，地热梯度差异较大，地热资源禀赋差异明显，直接影响到地热井取热量。
4）地热循环水温度和流量的平衡
采用井内换热的中深层地热井内换热技术的地源热泵系统，各项目条件不同，很难简单的进行复制，各项目需要精细化设计。系统设计要力求提高单井取热量，降低热源侧水泵能耗，提高机组效率，从而达到最优的系统效率。但是要提高单井取热量，就需要降低水温，加大水流量；要提高热泵机组效率，需要提高水温；要降低水泵能耗，需要降低水流量。提高地热井取热量与提高机组效率和降低水泵能耗在一定程度上是相互矛盾的。因此，系统设计时就要平衡地热井的循环水流量和水温，从而维持较高的系统效率。
4结论
本文通过对已建成的采用井内换热的中深层地热井内换热技术的地源热泵系统运行数据进行分析，得到的结论有以下几条：
1）中深层地热井出水温度较高，热泵机组的效率较其它集中常规热源热泵机组有较为明显的提升。
2）中深层地源热泵系统的井内换热器单位长度取热量达79-144W/m，显著高于常规浅层地源热泵系统。
3）中深层地源热泵系统的井内换热机制还有待研究，实际运行数据还相对匮乏。
4）采用井内换热的中深层地热井内换热技术的地源热泵系统目前仍处于探索阶段，在地质条件适宜、地热资源丰富、用能条件与系统特点相匹配的项目可进行试点，进一步研究相关机理、获取运行数据，为大规模推广奠定基础。
参考文献：
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作者简介：姓名：王重超，性别：男，出生年月：1986.05，籍贯：湖北省郧县，学历：硕士研究生，职称：工程师，研究方向：主要从事暖通空调和节能技术的研究。
论文作者:王重超
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/23
标签：地热论文; 换热论文; 热量论文; 系统论文; 热源论文; 机组论文; 源热泵论文; 《防护工程》2019年第3期论文;