基于中深層地埋管供熱技術(shù)的工程實(shí)例分析

楊超，張鵬飛，賀云飛，王俞舒，段科鋒

（西安灃東熱力有限公司，陜西 西安 710086）

地?zé)崮苁且环N蘊(yùn)藏在地球內(nèi)部的清潔能源，主要來源于地球內(nèi)部放射性元素衰變、地球熔融巖漿以及太陽能，其開發(fā)前景十分廣闊，已成為21世紀(jì)能源發(fā)展中不可忽視的可再生能源之一。

我國中深層地?zé)豳Y源開發(fā)主要有地?zé)崴苯娱_采、采灌系統(tǒng)平衡和中深層地?zé)岬芈窆軗Q熱等三種。地?zé)崴苯娱_采是過去傳統(tǒng)的利用方式，目前已不提倡；采灌系統(tǒng)平衡是由開采井、地面換熱設(shè)備和回灌井組成的閉式循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下熱水采灌平衡，不同地區(qū)和層位回灌率不同，大部分地區(qū)現(xiàn)有技術(shù)條件下回灌率較低；近年來，中深層地?zé)岬芈窆軗Q熱技術(shù)的研究應(yīng)用，開創(chuàng)了一種全新利用模式，解決了以往地?zé)衢_發(fā)利用中存在的問題，也掀起了新一輪地?zé)豳Y源開發(fā)利用的高潮。

1 中深層地?zé)岬芈窆芄峒夹g(shù)

1.1 技術(shù)原理

中深層地?zé)岬芈窆墁F(xiàn)有同軸套管式和U型管式兩種，本文介紹技術(shù)較為成熟，應(yīng)用廣泛的中深層地?zé)嵬S套管換熱技術(shù)，該技術(shù)是以中深層地?zé)崮転闊嵩?，先通過鉆機(jī)向地下2～3km深處高溫?zé)釒r體鉆地?zé)峋?，在井?nèi)安裝一種密閉的同軸套管換熱器，利用換熱介質(zhì)在井內(nèi)形成閉式循環(huán)將地?zé)崮堋叭岵蝗∷睙o干擾交換，經(jīng)地?zé)釤岜脵C(jī)組溫度提升后由用戶側(cè)循環(huán)水泵和輸配管網(wǎng)為用戶提供供熱服務(wù)的新技術(shù)。中深層地?zé)嵬S套管供熱系統(tǒng)由地?zé)釗Q熱系統(tǒng)、地?zé)釤岜孟到y(tǒng)和室內(nèi)供熱系統(tǒng)三部分組成，原理如圖1所示。

圖1 中深層地?zé)嵬S套管供熱技術(shù)原理示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）適用性廣。中深層地?zé)崮苁且环N分布廣泛、持續(xù)穩(wěn)定的可再生能源，該技術(shù)不受水文地質(zhì)條件的制約，不需地?zé)豳Y源勘探，鉆井位置選定比較靈活，施工場(chǎng)地及設(shè)備占地面積少。（2）綠色環(huán)保。不產(chǎn)生廢氣、廢液和固體廢棄物等任何排放，治污減霾成效顯著。（3）保護(hù)水資源。該技術(shù)通過中深層密閉地埋管與高溫巖體實(shí)現(xiàn)間接換熱，與地下水隔離，不抽取地下水，不使用地下水。（4）高效節(jié)能。中深層地?zé)崮苋隃囟确€(wěn)定，較淺層地?zé)崮軠囟雀?，單井換熱量大，可解決約1.3萬～1.5萬m2建筑供暖，供熱系統(tǒng)效率高。（5）安全可靠。中深層地?zé)峋畯叫。?00mm），深度在2～3km，對(duì)建筑本身及地基無任何影響，地下無運(yùn)動(dòng)部件，無化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)穩(wěn)定，無安全隱患，可靠性高。（6）系統(tǒng)壽命長(zhǎng)。中深層地埋管外管采用J55鋼級(jí)套管，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當(dāng)。（7）無冷熱平衡問題。該技術(shù)以2～3km中深層地?zé)崮転闊嵩矗哂谐掷m(xù)穩(wěn)定性，不需要考慮冬、夏季的冷熱平衡問題。（8）經(jīng)濟(jì)效益低。初期投資大，投資回收期長(zhǎng)，利潤(rùn)率低。（9）資源利用率低。由于中深層地?zé)崮軠囟雀撸荒茏鳛闊嵩从糜诙竟?，夏季制冷需另加冷卻塔等制冷設(shè)備，造成非供暖季地?zé)峋e置。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

該工程項(xiàng)目位于西安市西咸新區(qū)鎬五路，總建筑面積132438.30m2，供暖面積93385m2，設(shè)計(jì)了6口中深層地?zé)嵩淳鳛闊嵩?，井型為直井，井?500m，井間距15m，熱交換站采用2臺(tái)制熱量1600kW地?zé)釤岜脵C(jī)組，最大供熱能力3370 kW，設(shè)計(jì)供回水溫度50/40℃，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，末端采用地板輻射供暖方式，主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 無干擾地?zé)峁嵯到y(tǒng)主要設(shè)備表

2.2 應(yīng)用分析

2020年12月10日～12月31日進(jìn)行為期22天試運(yùn)行，開啟2臺(tái)熱泵機(jī)組，用戶熱負(fù)荷70%。

（1）熱泵機(jī)組和用戶側(cè)循環(huán)水泵開啟前（用戶熱負(fù)荷為0），熱源側(cè)循環(huán)介質(zhì)靜止（超過3個(gè)月），地?zé)峋跍囟?8℃，熱源側(cè)循環(huán)水泵開啟后，地?zé)峋诔鏊疁囟茸罡叻€(wěn)定到55.8℃。

（2）熱泵機(jī)組和用戶側(cè)循環(huán)水泵開啟，用戶熱負(fù)荷逐漸增加，熱負(fù)荷增至70%后持續(xù)運(yùn)行10天。用戶側(cè)供水溫度平均39.8℃，用戶側(cè)供回水溫差平均7.4℃，室內(nèi)平均溫度21.5℃左右，滿足GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定；熱源側(cè)供水溫度平均36.8℃，進(jìn)機(jī)組前混水降溫至27℃左右，供回水溫差平均值為6.4℃，如圖2所示(第6日熱負(fù)荷增加至70%以上后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行)。熱源側(cè)供水溫度較高且波動(dòng)變化較小，高于機(jī)組安全運(yùn)行溫度上限，為保證熱泵機(jī)組高效運(yùn)行，進(jìn)機(jī)組前進(jìn)行了混水降溫。

圖2 熱源側(cè)進(jìn)出水溫度

（3）試運(yùn)行后期，負(fù)荷逐漸降低，熱源側(cè)溫度逐漸回升至初期運(yùn)行時(shí)40℃以上，試運(yùn)行結(jié)束10天后，地?zé)峋跍囟然厣?8℃，達(dá)到未運(yùn)行前溫度水平。

（4）供暖季初期，熱源側(cè)進(jìn)水溫度較高，可達(dá)50℃以上，隨著熱負(fù)荷增大，熱源側(cè)進(jìn)水溫度逐漸降低至31℃左右，系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，高于同類項(xiàng)目8℃左右，效果較好。

（5）測(cè)試期間，系統(tǒng)制熱量為1716kW，單井平均取熱功率約為253kW，延米換熱功率約為101W/m，單井平均循環(huán)流量約為21m3/h。

（6）測(cè)試期間，室外平均溫度為-3℃，室內(nèi)平均溫度為23.4℃，地?zé)釤岜脵C(jī)組平均COP為6.49，系統(tǒng)平均COP為5.20。

（7）循環(huán)水泵耗電量占系統(tǒng)總耗電量的比例為19.8%，熱泵機(jī)組耗電量占系統(tǒng)總耗電量的比例為80.2%。

3 結(jié)語

（1）中深層地?zé)岬芈窆芄嵯到y(tǒng)熱源側(cè)取熱量穩(wěn)定，出水溫度較高，延米換熱功率約為101W/m。（2）熱源側(cè)進(jìn)水溫度為31～48℃，熱泵機(jī)組COP達(dá)到6以上，在供暖初期及末期熱源側(cè)進(jìn)水溫度較高時(shí)節(jié)能效果更加明顯。（3）本次測(cè)試單井平均取熱量與數(shù)值模擬計(jì)算給出的地埋管換熱量評(píng)估值較為一致。（4）本次測(cè)試單井平均循環(huán)流量約為21m3/h，處于給出的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行流量范圍內(nèi)，水泵輸配能耗占系統(tǒng)總能耗比例小于20%。（5）中深層地?zé)岬芈窆芄嵯到y(tǒng)雖然在供暖初期由于連續(xù)取熱，熱源側(cè)溫度有所下降，但是，可持續(xù)保持穩(wěn)定供熱量且熱源維持在較高品位，高于機(jī)組安全運(yùn)行溫度上限，為保證熱泵機(jī)組高效運(yùn)行，進(jìn)機(jī)組前進(jìn)行了混水降溫。（6）本項(xiàng)目試運(yùn)行顯示出良好的運(yùn)行能效，初投資也在可控范圍內(nèi)，因此，在一定條件下，中深層地埋管技術(shù)具有良好的推廣前景。（7）按照一個(gè)采暖季入住率70%計(jì)算，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)運(yùn)行成本為1.97元/平方米·月。