某中深層地埋管地源熱泵系統測試與分析

郭海明，吳軍虎，胡平放，任虎俊，張 靜，李振興

(1.中國煤炭地質總局水文地質局，河北 邯鄲 056004；2.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

中深層地熱能分布廣泛，綠色環保，屬于清潔低碳的可再生能源，可用于建筑供暖[1-2]，在當今能源短缺的形勢下引起了越來越多的關注[3-4]。2021年國家發展和改革委員會等八部門聯合印發的《關于促進地熱能開發利用的若干意見》指出：“大力推進中深層地熱能供暖。根據資源情況和市場需求，在京津冀、山西、山東、陜西、河南、青海等區域大力推進中深層地熱能供暖。鼓勵各地在進行資源評估、環境影響評價和經濟性測算的基礎上，根據實際情況選擇‘取熱不耗水、完全同層回灌’或‘密封式、井下換熱’技術，最大程度減少對地下土壤、巖層和水體的干擾”。

中深層地埋管地源熱泵系統屬于“取熱不取水”方式，目前已有少量研究與應用。CAI等[5]、LIU等[6]、HUANG等[7]、左婷婷等[8]通過數值模型對中深層地埋管傳熱性能及其影響因素進行了分析；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]對西安市兩個中深層地埋管供熱項目進行了運行工況連續測試，分析了熱源側和用戶側的供熱量、熱泵機組效率、系統效率等關鍵指標；趙仕龍[11]分析了某中深層地熱井的經濟性；陽春等[12]介紹了河南省和陜西省兩個中深層地埋管地源熱泵在住宅小區的應用情況；趙陽[13]通過試驗研究了同軸套管換熱器中深層地熱能采熱系統換熱效率和傳熱特性；鄧杰文等[14]對4個中深層地埋管項目進行了連續48 h以上的監測，得到了單位管長換熱量、系統能效、出水溫度等參數，發現其單位長度取熱量可達常規地源熱泵系統的2.0～3.6倍?？傮w而言，目前對中深層地埋管地源熱泵實際項目的測試資料較少，而對實際工程進行實驗測試研究，獲得更多有益資料，對指導該技術的推廣應用很有必要。因此，本文對陜西省某中深層地熱井地埋管項目進行了換熱量及系統性能測試，獲得了部分數據，以期為中深層地埋管地源熱泵系統設計及運行提供參考。

1 研究背景

陜西省某礦區生活區、辦公區和工業區的面積總計12萬km2，原供暖方式為燃氣鍋爐，每年的燃氣費超過2 000萬元，供暖費用較高，且氣源緊張。為響應國家節能減排政策，解決燃氣供熱費用較高問題，該礦區研究決定利用中深層地熱清潔能源供暖，通過先行先試建立示范項目，項目成熟后再逐步替代原燃氣供暖系統。

該項目采用單井同軸套管換熱技術，通過地熱井-地源熱泵供暖方式將1#住宅樓、2#住宅樓作為試點進行集中供暖，試點建筑物共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，即熱水從十一層入戶，逐層串聯至一層出戶，供暖熱水溫度要求較高，最冷日供暖熱水溫度需要達到80 ℃以上。為了不改變末端供暖形式，決定采用高溫熱泵機組。

該地熱井直徑為311 mm，井深3 183 m，井底溫度107 ℃，是目前國內深度最深、井底溫度最高的“取熱不取水”地熱井之一(圖1)。地面建立了自動化遠程操控的高溫熱泵+節能自控系統，能夠滿足建筑在極寒氣候條件下進行供暖作業，同時應用高效換熱裝置及高導熱固井材料，有利于提高深井的換熱效果。

圖1 中深層地埋管換熱器結構圖

2 中深層地埋管地源熱泵系統

2.1 系統原理與試驗流程

1) 系統原理。該系統主要由單井同軸套管換熱器、高溫熱泵機組、換熱設備及附屬設備組成。向巖層中鉆進一定深度(1 500～3 000 m，井底溫度70～120 ℃)的地熱井，下入套管，采用高導熱固井材料和固井工藝固井，并在井內安裝高隔熱性能的中心管組成單井同軸套管換熱器。在地上循環泵的驅動下井下高溫地熱水從中心管內流出作為高溫熱泵機組的熱源，利用熱泵原理將能量轉移與提升，使系統水達到建筑物采暖所需的供熱溫度(80 ℃)，從而穩定地向建筑物供暖，而地熱井側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腔進入井下，經地層熱儲不斷提取深層地熱，再經中心管流出，如此往復循環運行，實現中深層地熱“取熱不取水”，同時長期為建筑物供熱。系統原理如圖2所示。

圖2 系統原理圖

2) 系統試驗流程。①動力柜主電源供電，機房設備、自控柜供電；②打開監控軟件，記錄地面機房換熱參數；③啟動定壓補水裝置向地熱側管路、二次側管路、用戶側管路補水；④依次啟動用戶循環泵、二次循環泵、地熱循環泵及熱泵機組；⑤運行結束時，輕觸“停機”按鈕，熱泵機組停機，二次循環泵和地熱循環泵停止，用戶循環泵停止。

2.2 機房設備配置

地熱井同軸管換熱機房相關設備及其型號參數見表1。

表1 中深層地埋管地源熱泵系統機房設備配置表

3 測試數據與結果分析

3.1 測試方法

該項目中地熱井為豎直井，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、地熱井取熱能力和系統性能，進行了四種工況測試，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運行，時間為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)，循環水用戶側閥門關閉，系統運行至循環水溫達到設定值。

3) 系統運行工況一：2021年2月23日—3月3日(8 d)，末端側接通2#住宅樓(建筑面積9 078 m2，室內暖氣片散熱)，系統帶負荷運行。

4) 系統運行工況二：2021年3月17日—3月23日(6 d)，末端側接通1#住宅樓、2#住宅樓(建筑面積1.6萬m2，室內暖氣片散熱)，系統帶負荷運行。

3.2 巖土層靜態初始溫度分布

通過專用測溫儀測得地熱井井底初始溫度為107 ℃，從地面到地下3 183 m的靜態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點開始，到2021年2月11日12點結束，僅地埋管回路循環運行，運行24 h后，循環流體溫度基本穩定。地熱井水平均流量為63 m3/h，地熱井供水溫度隨時間變化曲線如圖4所示。地熱井供水溫度穩定值為70.3 ℃，該溫度近似代表地熱井的地下巖土平均溫度。對比圖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 地熱井地層初始溫度曲線圖

圖4 單井循環工況地熱井供水溫度變化曲線圖

3.4 最大取熱能力測試工況

取熱能力測試采用末端系統無負荷運行方式，即關閉系統與負荷端連接管路閥門，開啟內環路循環，啟動機組全負荷運行，供水溫度逐漸上升，至目標溫度80 ℃時結束。 運行2 h，地熱井水流量為63 m3/h，用戶側水流量104 m3/h。在板式換熱器(換熱裝置)與地熱井循環回路端，設有電子三通調節閥，如果地熱井流出的流體溫度過高、流量較大，地熱井的輸出熱量大于熱泵機組蒸發器需求熱量，則通過調節電子三通調節閥開度，使地熱水直接旁通流回至地熱井，在此過程中流經換熱裝置的水流量和溫度不斷波動，這也使得地熱井回水溫度波動較大。測量用戶側、地熱井側供/回水溫度，熱功率、設備電功率等參數如圖5所示。

圖5 取熱能力測試工況用戶側、地熱井側供/回水溫度變化曲線圖

由圖5可知，取熱能力測試工況運轉期間，熱泵機組由0%逐漸加載至100%，直至用戶側供水溫度達到目標溫度后，熱泵機組卸載停機。測試期間，用戶側供/回水溫度平穩上升至目標溫度；地熱井側供水溫度由62 ℃逐漸降低至59 ℃，曲線無波動；為保證熱泵機組穩定運行，蒸發側進水溫度穩定在15～25 ℃，地熱井側回水溫度呈規律性波動，波動幅度較大。熱泵機組100%運行時，用戶側熱功率平均為1 121 kW，機房總功率為490 kW，地熱井熱功率平均為692 kW，單位管長換熱量為217.4 W/m，該數值可視為地熱井在該供回水溫度下的最大取熱量。此時地熱井側供回水溫度均較高，如果進一步增大熱泵的負荷，加大地熱井側供回水溫差，其換熱量會進一步增大。

3.5 系統運行工況

因測試時天氣轉暖，末端負荷減小，熱泵機組(2臺壓縮機)只啟動運行了1臺壓縮機。系統運行工況一：對2#住宅樓進行供暖作業，供熱面積為0.9萬m2，2021年2月23日12點開始，2021年3月3日8點結束，地熱井水流量為60 m3/h，用戶側目標溫度70 ℃，運行時間188 h；系統運行工況二：對1#住宅樓、2#住宅樓進行供暖作業，供熱面積1.6萬m2，2021年3月17日開始，2021年3月23日結束，運行時間144 h。因其他原因系統暫停運行9 d后，開始測試系統運行工況二，保證了系統運行工況二測試過程的連續性，截取時間為系統出水溫度為50 ℃時開始。

系統運行工況一時，用戶側供/回水溫度、地熱井側供/回水溫度、瞬時流量、熱功率等參數隨時間變化情況如圖6～圖8所示。由圖6～圖8可知，系統運行工況一測試期間熱泵機組采用單壓縮機運行， 用戶側水流量平均為115.9 m3/h， 用戶側供水溫度基本穩定在65～70 ℃之間；地熱井側供水溫度由61 ℃降低到56 ℃，平均溫度58.6 ℃； 由于用戶側負荷較小，熱泵機組采用間歇式運行，停機次數較多，用戶側和地熱井側供回水溫度、熱功率呈規律性波動，波動幅度較大；累計熱量和電能呈比例穩定增長。運行測試期間，用戶側日熱量、地熱井側日熱量和設備日總電能較均衡。

圖6 系統運行工況一用戶側供/回水溫度變化曲線圖

圖7 系統運行工況一地熱井側供/回水溫度變化曲線圖

圖8 系統運行工況一地熱井熱功率變化曲線圖

系統運行工況二時，選取2021年3月17日—2021年3月23日的用戶側、地熱井側的供/回水溫度、熱功率等參數，為保證系統測試準確性，系統運行工況二的起始記錄從出水溫度為50 ℃時開始，其隨時間變化曲線如圖9～圖11所示。由圖9～圖11可知，系統運行工況一測試期間熱泵機組采用單壓縮機運行，用戶側流量104.5 m3/h，地熱井平均流量61.5 m3/h，地熱井出水溫度基本穩定在57.7 ℃，地熱井進水溫度基本穩定在56.2 ℃，由于用戶側負荷較小，熱泵機組采用間歇式運行，用戶側供/回水溫度、地熱井側供回水溫度均呈規律性波動，受測溫點監測溫度滯后影響，地熱井熱量波動幅度較大；運行測試期間，用戶側日熱量、地熱井側日熱量和設備日總電能較均衡。

圖9 系統運行工況二用戶側供/回水溫度變化曲線圖

圖10 系統運行工況二地熱井側供/回水溫度變化曲線圖

圖11 系統運行工況二地熱井熱量變化曲線圖

3.6 地熱井系統參數分析

根據地熱井試運行結果，該中深層地埋管地源熱泵系統運行參數見表2(末端為鑄鐵暖氣片)。

表2 中深層地埋管地源熱泵系統運行參數分析

初期測試時，熱泵機組雙機頭全負荷運行，該中深層地埋管系統的單位管長換熱量為217.4 W/m，處于目前國內中深層地埋管系統中的較高水平[1,3-4,7]。 帶室內負荷全系統試運行8 d 188 h(系統運行工況一)，熱泵機組為單壓縮機間歇式運行，換熱參數呈規律性波動。地熱井機房總功率144 kW，用戶側熱功率286 kW。系統平均綜合能效比為1.99(此時系統部分負荷率約為25%)。初步分析系統末端為散熱片，供水溫度較高、負荷偏小等是能效比偏低的主要原因。由系統運行工況二測試可知，由于環境溫度升高，室內負荷減小，地熱井的供水溫度變化不大，但回水溫度有所提升。

4 運行費用分析

2020年該礦區所在地各用電時段電價實行分時電價，在地熱井24 h基本平穩運行的情況下，根據峰谷段電價加權平均后的單價為0.53元/kW·h。系統運行工況一和系統運行工況二的系統運行費用對比分析見表3。在2021年3月17日—2021年3月23日期間，系統運行工況二供熱面積1.6萬m2情況下，單位面積運行電費較系統運行工況一(供熱面積0.9萬m2)更低，這是由于系統運行工況二的環境溫度升高、建筑熱負荷減小所致。該項目采用原燃氣鍋爐供熱時，平均每月每平米運行費用約7.6元，應用該中深層地熱源熱泵供暖后，系統運行費用較原燃氣供暖費用明顯下降。

表3 系統運行費用

該項目運行時，兩階段供熱面積依次僅為0.9萬m2和1.6萬m2，因末端負荷所限，熱泵機組只承載25%～50%，運行過程中每小時均有停機卸載現象，若熱泵機組100%運行，則約可滿足3萬m2建筑的供暖。

5 結 論

對陜西省某礦區某3 183 m深中深層地埋管地源熱泵系統進行了巖土層初始平均溫度、地熱井取熱能力及熱泵系統運行工況測試，結論如下所述。

1) 該地熱井井底初始溫度為107 ℃，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在地熱井側進出水溫度(>50 ℃)均較高的情況下，單位管長換熱量為217.4 W/m，處于目前國內中深層地埋管系統中的較高水平。

2) 用戶側供水溫度為70 ℃，末端采用散熱片，系統部分負荷率約為25%時，該中深層地埋管地源熱泵系統平均綜合能效比為1.99，總體偏低，負荷偏小、供水溫度較高是系統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，提高系統能效潛力。