蘭州市應用中深層地源熱泵系統供暖的技術可行性＊

郭 剛，閆 飛，陳秀清

（1.甘肅智廣地質工程勘察設計有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

近20年來，中深層（1 500～3 000 m）地熱能作為一種清潔、可持續的中低品位熱能，受到了持續且廣泛的關注。特別在清潔供暖領域，國家在戰略和政策層面均給予了大力支持[1]。與淺層地熱能相比，中深層地熱資源具有地溫穩定、開采利用占地面積小、對地質條件要求較少、不污染地下水、生態影響小等諸多優點，尤其適用于年冷熱負荷嚴重失衡的嚴寒、寒冷地區[2]。

目前，開采中深層地熱能的技術/設備形式主要有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展迅速的新技術，其標稱取熱量通常在1 000 kW以上，約為相同開采條件下同軸套管式換熱器取熱量的2倍。同時，盡管U形鉆孔的施工成本較高，其單位長度的循環流體壓降卻比同軸套管式換熱器低得多。隨著鉆孔技術的進步，U形鉆孔的施工成本將被控制在合理范圍內，而其出色的取熱能力和流動特性注定其成為中深層鉆孔換熱技術的主流[3]。

圖1 2種開采中深層地熱能的技術/設備形式

甘肅省境內中深層地熱資源分布并不均勻，總體上呈中部高，東、西部低的分布規律。若以60 mW/m2大地熱流值為分區界線，低熱流區主要分布在永登縣—臨洮縣以西和靖遠縣—定西市以東的地區；高熱流區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小范圍的孤立高熱流區，已有地熱井投入開發利用。榆中縣—白銀市一帶存在一個橢圓形高熱流區，大地熱流值高于65 mW/m2，高于中國大陸地區大地熱流的平均水平（61.5 mW/m2）。因此，該區域是蘭州地區開發利用中深層地熱資源的主要選區。

2 系統原理

中深層地源熱泵與傳統地源熱泵的制熱原理一致。兩者的區別在于熱泵系統的地下換熱回路。以中深層U形鉆孔換熱回路為例，從熱泵蒸發器流出的低溫水進入U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至最低處，轉而一路上行，從U形鉆孔換熱器的出水管流出。此時，原本低溫的回水已被巖土加熱至中溫水平，返回熱泵蒸發器并向制冷劑釋放熱量，繼而再次成為低溫水進入U形鉆孔換熱器，完成一個閉式水循環。蒸發器中的制冷劑吸收U形鉆孔換熱器循環水中的熱能，轉變為低溫低壓的飽和蒸汽進入壓縮機，經壓縮后成為高溫高壓的過熱蒸汽，經冷凝器向用戶側循環熱水釋放熱量，達到供暖目的。釋放熱量后的制冷劑凝結為液體，進入膨脹裝置，成為低溫低壓的制冷劑兩相混合物，再次進入蒸發器吸收來自U形鉆孔換熱器循環水中的熱能，完成一個熱泵循環。圖2為中深層地源熱泵系統原理。

圖2 中深層地源熱泵系統原理

與傳統地源熱泵相比，中深層地源熱泵的蒸發溫度提高了10°C以上，顯著減小了壓縮機的功耗，提升了制熱能效，也改善了熱泵系統運行的可靠性和經濟性。

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程跨越多個時空尺度數量級。為保證計算過程穩健，須適度簡化其傳熱模型如下：1）地下巖土層的傳熱機制僅有熱傳導；2）所有傳熱介質均視為均質或分層均質，其熱物理性質不隨溫度變化；3）大地熱流從地球內部傳遞到地表，產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形鉆孔換熱器進出口溫差取決于蒸發器負荷。

U形鉆孔換熱回路內循環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循環流體的能量方程根據等效熱阻法建立：

巖土體的能量方程，須引入一個變量代換如公式（4）所示，以合理分配網格密度，增強求解過程的穩健性。經線性變換后，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則可參考文獻[4]。部分物性參數，可根據文獻[5]和普查結果確定。據此可計算中深層U形鉆孔換熱器在蘭州石佛溝應用的傳熱特性。

3.2 系統性能評價

在了解U形鉆孔換熱器傳熱性能的基礎上，應用熱力學完善度評價中深層地源熱泵系統在任意時期的運行效果。熱力學完善度由效率定義，表征系統獲得與付出的比值如式（6），可提供跨工況、跨場景的方案比較：

4 結果分析與討論

根據已有研究和實際項目提供的數據，結合本地的地熱資源和經濟狀況，蘭州石佛溝地區中深層U形鉆孔換熱器的鉆孔深度應在2 500 m為宜，水平/傾斜段長度應在600 m為宜。鉆孔換熱器內循環水流量應在60 m3/h為宜。據此計算鉆孔換熱器的取熱能力、熱泵系統的供熱效能。

圖3反映了不同大地熱流條件下，中深層U形鉆孔換熱器的取熱能力。如圖3所示，所研究區域的大地熱流值處于65～70 mW/m2，對應取熱能力1 130～1 200 kW。該值與國內外已有項目數據基本一致，說明石佛溝地區滿足中深層地熱資源開發的初步要求。

圖3 大地熱流對鉆孔換熱器取熱能力的影響

圖4反映了1個供暖周期內鉆孔換熱器進出口水溫的變化。如圖4所示，經歷1個完整的供暖季，鉆孔換熱器進口溫度由24.0 °C下降至8.0 °C，出口溫度由40.0 °C下降至24.0 °C，進出口溫差穩定在16.0 °C。據此設計熱泵蒸發器為雙級串聯模式。

圖4 供暖周期內鉆孔換熱器進出口水溫變化

圖5反映了1個供暖周期內地源熱泵系統熱力學完善度的變化，并與空氣源熱泵系統熱力學完善度進行了比較。如圖5所示，相比于空氣源熱泵系統，在供暖穩定后，中深層地源熱泵系統的熱力學完善度更高，一則說明石佛溝地熱品位較好，熱泵運行壓差較小，壓縮機功耗較低；二則說明蘭州地區中深層地源熱泵系統運行的可靠性優于空氣源熱泵系統。

圖6反映了鉆孔周圍的巖土溫度。如圖6（a）所示，在大地熱流與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上低下高的特征。由于計算時假設大地熱流垂直于地表向上，圖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，這是巖土導熱系數及其熱容量共同影響的結果。

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周期變化，最高溫度隨系統運行時間延長而逐漸下降。當系統運行超過20年后，最高溫度的變化已不明顯，說明鉆孔周圍巖土溫度分布模式達到穩定。圖6（c）以50年為時間窗口觀察了U形鉆孔底部巖土平均溫度的變化。如圖6（c）所示，在長時間尺度上，鉆孔周圍巖土溫度的波動可忽略不計，其整體上穩定在55 °C以上，為地源熱泵系統長期穩定運行創造了條件。

圖7（a）、圖7（b）分別顯示了中深層地源熱泵系統在50年內運行的供熱水溫及熱力學完善度變化情況。如圖7所示，熱泵系統的供熱水溫、熱力學完善度的年差逐年減小，并在系統運行20年后趨于0，且穩定在較高水平，說明蘭州地區中深層地溫場自我恢復能力良好，地熱資源具備長期開發的條件，能保證地源熱泵系統平穩運行。

圖7 中深層地源熱泵系統長時間運行性能

綜上，蘭州地區中深層地熱資源良好，具備長期開采的條件。使用地源熱泵系統開采中深層地熱資源可實現“取熱不取水”，且取熱能力穩定、循環水溫波動小、熱泵運行壓差小、壓縮機功耗低、熱力學完善度高。更重要的是系統長周期供熱運行的可靠性高、能力不衰減，與淺層地源熱泵系統相比，中深層地源熱泵系統對年冷熱負荷不平衡的適應性更強，更適合在嚴寒、寒冷地區使用。

4 結論

（1）蘭州地區中深層U形鉆孔換熱器的取熱能力在1 130～1 200 kW，與國內外已有項目數據基本一致，具備開發的初步要求。

（2）在長時間尺度上，鉆孔周圍巖土溫度的波動可忽略不計，其整體上穩定在55 °C以上，為地源熱泵系統長期穩定運行創造了條件。

（3）中深層地源熱泵系統的供熱水溫、熱力學完善度年差逐年減小，并在系統運行20年后趨于0，且穩定在較高水平，說明蘭州地區中深層地溫場自我恢復能力良好，地熱資源具備長期開發的條件，能保證地源熱泵系統平穩運行。

（4）與空氣源熱泵系統相比，在供暖穩定后，中深層地源熱泵系統的熱力學完善度更高，技術經濟性更好。