創新型豎向U型深埋管供暖換熱性能實驗

周聰 張育平 朱昱諶 官燕玲 王興 荀迎久

摘要：在西安某廠區深層地熱對接井安裝了埋深大于2 000 m且深度不同的2個豎向U型深埋管換熱系統，應用原位實驗的方法進行了換熱特性的研究。實驗條件為埋管進水溫度和水流率基本恒定，實時檢測埋管的出水溫度。通過埋管進、出水溫差及流率得到埋管在實驗條件下的綜合換熱強度及不同深度地熱井的實驗，表明埋管深度的增加對換熱強度的影響很大。

關鍵詞：U型深埋管;換熱性能;原位實驗;埋管深度;中深層地熱能;建筑供暖

中圖分類號：X 936文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2019）02-0163-05

0引言

地熱能是清潔環保可再生能源，資源儲量大、分布廣。地熱能來源于地球外部和地球內部，其中，地球內部是主要的熱能來源，由于地核的作用，巖土向下越深溫度越高。近年來，在西安出現了深埋管建筑供暖應用項目，豎向埋管深度超過2 000 m，該深度的巖土溫度可達70 ℃以上，因此對于同樣的取熱量，深埋管換熱系統相對淺埋管換熱系統（土壤源熱泵埋管深度一般在100 m至150 m之間）所需的埋管占地面積會大大減小，因此該項技術一經出現，受到高度關注。

無論淺層地埋管或是深層地埋管，地埋管換熱器是整個換熱系統中最重要的組成部分。對于淺層地埋管換熱器傳熱特性的研究一直備受關注[1-4]，相關的理論已較成熟。與淺層地埋管不同的是，深層地埋管上下溫度以及巖土熱物性參數變化很大[5-8]，很難將問題簡化為溫度上下一致和巖層結構上下均勻的均質場問題，因此不能將淺層埋管換熱理論直接用于深埋管。針對不同埋深的2個豎向U型深埋管，采用原位試驗的方法[9]，探索深埋管的換熱性能。

第2期周聰等：創新型豎向U型深埋管供暖換熱性能實驗1深埋管實驗系統

原位實驗平臺設置在西安市一個在建項目的廠區內，該區內有水井，涌水量穩定，可以作為埋管進水水源，其水溫基本恒定。實驗中，溫度和流率基本穩定的水流進入深埋管，沿途吸收巖土的熱，埋管出口水溫升高。通過埋管進、出水的溫差以及流率可以得到埋管綜合換熱強度。

1.1巖土熱物性參數以及初始條件、邊界條件

本熱泵施工地位于西安市經濟技術開發區，北郊尚稷路與草灘三路十字東南角。地貌單元為渭河河漫灘以上一級階地[10]，地面標高370.20～372.33 m.為新生界第四系上全新統（Q42al）沖積含礫中細砂、中粗砂及砂礫卵石層，亞砂土、粉質土層。厚度9.15～52.41 m.南部二級階地區為下全新統沖積層（Q41al），由棕黃、黃褐、黃白色的亞粘土、亞砂土、粉細沙，中、粗砂含礫卵石層，厚度可達數百米。渭河北岸及市區以南為上更新統風積黃土（Q3eol），由淡黃色色、黃白色的黃土、亞砂土組成，具有垂直節理，含蝸牛化石，底部有灰白色鈣質結核層。

鉆井鉆經地層自下而上有：新生界新近系上新統藍田灞河組（N2l+b）、張家坡組（N2z）、第四系下更新統三門組（Q1s）、中更新統-全新統秦川群（Q2-4qc）。查閱相關文獻可知，渭河一級階地的恒溫層在地表以下10 m，恒溫層溫度為15～15.5 ℃.西安市區及近郊區200 m深的地溫，一般都低于21 ℃.根據專業測井部門測井，得到 “熱1井”土壤恒溫層以上0～20 m深的溫度為15 ℃ ，鉆井底2 100 m處溫度為70.29 ℃，“熱2井”初始巖土溫度參照“熱1井”設置。

先對鉆井的取樣巖芯進行測量，確定巖土熱物性參數，主要是巖土的密度、導熱系數、熱擴散系數和比熱容等參數。

對“熱1井”深度在2 012 m和2 018 m，“熱2井”深度大于2 100 m的巖土熱物性進行了測試試驗。得到試驗段巖土的熱物性參數，見表1.

1.2埋管幾何尺寸

埋管形狀如圖1所示，圖中HX為埋深。2個U型深埋管埋深不同，H1=2 100 m稱為“熱1井”、H2=2 500 m稱為“熱2井”。

2種埋深的U型深埋管都由直井和對接井2部分組成，在埋管與井壁之間用水泥固井，形成水泥固井層，保證鉆孔內各個層位的地下水不串層，避免地下水質污染。直井為出水井，臨近地面有h米的保溫段，其中“熱1井”為350 m，“熱2井”為700 m，保溫材料為40 mm聚氨酯。對接井為進水井，無保溫段。直井保溫段固井外徑c2為444.5 mm，非保溫段直徑c1為215.9 mm，對接井固井外徑c3為215.9 mm.直井和對接井的埋管均為石油鋼管，out和in規格分別為77.8 mm×8.05 mm和39.7 mm×9.17 mm，兩井水平間距S均為205 m，相對位置如圖2所示。

1.3實驗管路系統及檢測系統

實驗管路系統和檢測系統如圖3所示。管路系統，除了埋管，在地面上有一個進水管和一個出水管。進水管由潛水泵抽引水井的水引入埋管進口，潛水泵的揚程要克服水流動全程的阻力。出水管將埋管中的水引出，排入無壓排水管道。

在實驗中，以水作為換熱介質，通過循環管路提取地下熱量，通過水泵的變頻來控制水流量;在進、出水管上檢測水的溫度、流量、壓力。如圖3所示，出水管和進水管各設一個lks350電磁流量傳感器，精度為0.5%，在電磁流量傳感器前后分別裝有pt100溫度傳感器，測溫范圍為-20～450 ℃，精度為0.2 ℃，進出口壓力檢測采用壓力表。實驗用水泵型號為250QJ100-108，電機功率45 kW，揚程108 m.其中，“熱1井”實驗現場如圖4所示。對溫度、流率實時監測，采集系統為組態王，最小采集時間設為0.2 s.圖3實驗管路系統和檢測系統

實驗中，實時監測埋管進水溫度、流率以及經巖土加熱后埋管的出水溫度，從而計算出實驗條件下的埋管綜合換熱強度。

針對2種埋深的U型深埋管，實驗條件均為連續運行72 h，“熱1井”保持進水溫度穩定在19.5 ℃左右，流量穩定在40.5 m3/h左右;“熱2井”保持進水溫度穩定在19.5 ℃左右，流量穩定在46.5 m3/h左右。

2.1實驗結果

“熱1井”實驗從2016年11月29日9時開始，到12月2日9時結束，共72 h;“熱2井”實驗從2017年2月28日10時開始，到3月3日10時結束，共72 h.溫度及流量的檢測時間步長為0.2 s，整理檢測結果見表3，表4.其中進、出口溫度分別為該時刻各自2個溫度傳感器同時刻的平均值。流率為該時刻進、出口2個流量傳感器瞬時流率的平均值。根據實驗的進出口溫差和流率，由公式（1）可以計算出實驗條件下的實時換熱強度。

2.2實驗分析

整理實驗數據，分別繪制“熱1井”和“熱2井”連續運行時的進、出口溫度隨時間的變化曲線，如圖5所示。

從表3，表4和圖5可以看到，在實驗條件下連續運行時，進水溫度基本穩定;埋管出口水溫一開始降低很快，這是因為在開始運行之前，管中水的溫度與周圍巖土的溫度基本相同，最深處大于70 ℃;在隨后運行中，溫度降低速度緩慢下來。由于進水溫度不變，出水溫度的降低，說明隨著運行，埋管的換熱強度在逐漸減小。在72 h時刻，“熱1井”出水溫度為29.45 ℃，換熱強度為0.479 5 MW左右，“熱2井”出水溫度為32.80 ℃，換熱強度為0.732 4 MW.

根據表3和表4中實驗條件下的實時換熱強度，對埋管深度為2 100 m的“熱1井”和埋管深度為2 505 m的“熱2井”在2種實驗條件下埋管實時換熱強度進行了繪圖比較，如圖6所示。可以看到，2個井的換熱強度的變化趨勢基本相同，在一開始下降很快，在系統運行約10 h以后下降速度變緩，運行30個小時后接近于水平，運行到60 h和72 h，“熱1井”、“熱2井”的換熱強度分別為0.482 5，0479 5 MW以及0.749 3，0.732 4 MW，前后分別只降低了0.003 MW和0.016 9 MW;從換熱強度隨時間的變化來看，2個井的換熱強度之間基本為等距變化。

2 500 m深的“熱2井”與2 100 m深的“熱1井”埋深相差400 m（總埋管長度相差810 m），即“熱2井”的埋深相對于“熱1井”增加了19.28 %;從實驗結果看到，埋管換熱強度“熱2井”比“熱1井”大了0.252 9 MW，即“熱2井”的換熱強度相對于“熱1井”增加了52.7%.結合深埋井的幾何尺寸（總長度），得到“熱1井”和“熱2井”實驗工況下的埋管單位延米換熱強度在實驗最后時刻分別為111.19，140.43 W/m;用“熱2井”增加的換熱強度除以增加的深度，可以得到“熱2井”相對于“熱1井”埋深每增加1 m時，對應增加的換熱強度為312.22 W/m.

由于2個深埋管除深度外的其他幾何參數均相同，因此2個深埋管的換熱強度差異全部來源于埋管深度的差異。由以上數據可見，對于深埋管而言，埋管深度的增加對換熱強度的影響很大。

3結語

1）埋管換熱強度隨著運行在減小，開始下降很快，逐漸趨緩，且2個埋深度的變化趨勢基本相同。

2）在實驗條件下，運行到72 h時，埋深2 100 m的換熱強度為0.479 5 MW，埋深為2 500 m的換熱強度為0.732 4 MW.

3）“熱2井”比“熱1井”埋深增加了19.28%，換熱強度卻增加了52.7%，表明埋管深度的增加對換熱強度的影響很大。

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（責任編輯：張江）