中深层地热能作为一种稳定、可重复使用的可再生能源,具有资源分布广泛、绿色环保、清洁低碳的特点,是能有效解决冬季供暖问题的一种重要清洁能源 ^[1]。

　　 目前,国家与各地方政府均积极出台了多项政策及标准支持中深层地热技术的发展。国家《地热能开发利用“十三五”规划》提出,在“十三五”时期,新增地热能供暖(制冷)面积11亿m^{2 [2]},大力支持地热资源产业发展;《陕西省冬季清洁取暖实施方案(2017—2021年)》提出,到2021年新增中深层地热供暖(含无干扰地热供暖)面积1 800万m²以上 ^[3]。笔者所在团队正在开展中国工程建设标准化协会标准《中深层地热热泵技术规程》的编制和国家标准GB 50366—2009《地源热泵系统工程技术规范》的修编工作 ^[4,5]。

　　 由于钻孔初投资相对较高、地下岩土环境存在不确定性及中深层地埋管传热机理复杂等因素,我国中深层地埋管供热技术开发应用尚处于探索起步阶段。目前,地埋管传热机理研究涉及非稳态传热、强化换热、土壤温度分布、大地热流等多个学科领域,但国内尚无业内广泛认可的理论模型,对热源侧流量、取热量等关键指标也尚未达成一致,尤其是对在120 h乃至更长时间内考虑取热衰减因素时,系统能否可持续取热且保持一定的热源品位尚存在质疑,现有研究成果尚未形成成熟体系。但中深层地埋管供热技术具有“取热不取水”、热源稳定等先天优势,已成为我国一些高校、科研机构的研究热点,加上国家和地区政策、标准的支持推动,应用前景可期。

　　 中深层地埋管供热技术是以中深层(深度1 000～3 000 m)岩土体为热源,由中深层地热换热系统提取热量并通过地热热泵机组向建筑供热的技术。中深层地埋管供热系统主要包括中深层地热换热系统、地热热泵系统、建筑室内供热系统,如图1所示。地热换热器的埋管形式通常采用同轴套管式。

　　 中深层地热井取热系统为闭式循环系统,循环工质沿同轴套管式换热器环状外腔自上向下流动,通过套管外壁与地热井周围高温土壤进行换热,吸取周边高温土壤热量,在循环工质到达同轴套管式换热器底部后在柱状内腔自下向上流动,沿循环回路进入中深层地热热泵机组蒸发器并释放热量,温度降低后进入地热井,如此循环往复。

　　 国内目前针对中深层地埋管供热技术的研究主要基于实测数据与模拟计算2个方面。研究方向包括:1) 管内因素,包括循环流量、进口温度等;2) 管外因素,包括土壤导热系数、地热梯度、地下水渗流等;3) 地埋管因素,包括地埋管形式、埋深等。

　　 通过搭建实验平台监测项目运行,或对实际运行项目进行现场测试,分析流量、管径、入口温度等因素对换热量的影响。哈尔滨工业大学、清华大学、长安大学、新奥燃气公司等单位的科研团队对中深层地埋管供热技术进行了实测研究:任彦舟对哈尔滨某办公楼埋深分别为1 000,1 200,2 000 m的地埋管进行了实验测试,结果表明,1 000,1 200,2 000 m埋深地埋管132 h内的稳定换热量分别为65,100,300 kW ^[6];邓杰文等人分别对寒冷地区4个采用中深层地埋管供热的项目的实际运行情况进行了实测研究,分析表明,4个项目在48 h以上的测试周期内每延米平均取热量可达到79～144 W/m,热泵机组COP达到5～6,供热系统COP达到3～4 ^[7]。

　　 根据导热方程、能量守恒方程等建立数值模型及解析方程,研究不同因素对换热量的影响。西安交通大学、哈尔滨工业大学、中国科学院大学、山东建筑大学等高校的科研团队对中深层地埋管供热系统进行了模拟研究:Liu等人对同轴套管式中深层换热器进行了模拟研究,就特定条件下地埋管循环流量给出了18～27 m³/h的经济运行范围,并给出了地埋管换热器换热量评估图 ^[8];王德敬等人通过模拟研究,就中深层地埋管换热器给出了名义取热量估算线图 ^[9];孔彦龙等人采用双连续介质空间有限元法对深井换热器内部物理过程进行了数值模拟,认为同轴套管式地埋管长期连续换热时延米换热量约为100 W/m,不会超过150 W/m ^[10];Song等人通过数值模拟研究,认为中深层换热器取热对周围岩土层影响范围有限,在下一个供暖期前温度基本恢复原状 ^[11];Huang等人利用同轴地埋管换热器数值模型对传热过程进行了分析,结果表明,较小内管半径和较低内管导热系数会增大热阻,较大外管半径和较高外管导热系数更有利于热量的传输 ^[12]。

　　 目前,中深层地埋管供热技术研究正处于起步阶段,各高校、企业等科研机构积极探索,研究成果百花齐放,为中深层地埋管供热技术的推广和应用奠定了理论基础。

　　 针对中深层地埋管供热技术发展存在的问题,为配合标准编制,笔者所在团队选取西安市2个项目(均运行3 a以上)进行了实地测试和监测数据分析。测试时间均为连续120 h,监测数据为2019—2020年供暖季至测试时1 100 h内的数据。测试参数包括用户侧流量、用户侧进出水温度、热源侧进出水温度及热泵机组、循环水泵消耗的电量。

　　 该项目为住宅小区,总建筑面积约为31.19万m²,分为东区、西区,供热热指标约为42 W/m²,设置地热孔18个,其中东区10个,西区8个,孔深2 500 m,孔间距15 m,末端采用地板辐射供暖方式,目前入住率约为50%。本次测试针对东区中深层地埋管供热系统,其主要设备技术参数如表1所示。

　　 测试期间,按入住率50%测算,东区负荷约为3 750 kW。其中,低区负荷由1#,2#机组承担,高区负荷由3#机组承担。测试期间低区、高区均各开启1台机组。

　　 1) 用户侧供水温度平均值为39.2 ℃,用户侧供回水温差平均值为5.3 ℃,满足GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相关规定。热源侧进水温度平均值为18.0 ℃,供回水温差平均值为9.7 ℃,如图2所示(运行至约第50 h,低区系统由1#机组切换至2#机组;运行至约第75 h,2#机组负载由67%增至80%,高区3#机组负载约为67%)。热源侧进水温度较高且波动变化较小,为热泵机组提供了稳定且品位较高的低位热源。

　　 2) 测试期间,系统制热量约为3 800 kW,单井平均取热量约为300 kW,延米换热量约为120 W/m,单井平均循环流量约为24 m³/h。

　　 3) 测试期间,室外平均温度为0.3 ℃,室内平均温度为23 ℃,机组平均COP为5.9,系统平均COP为4.7。而常规的浅层地热源热泵系统的COP一般为3.0左右,中深层地埋管供热系统较常规浅层地埋管供热系统能效比提升50%以上。

　　 4) 循环水泵耗电量占系统总耗电量的比例为19.3%,热泵机组耗电量占系统总耗电量的比例为80.7%。

　　 5) 由于现场实际测试时间相对较短,对2019年11月15日以来2 880 h的供暖季实际运行记录数据进行分析整理,期间用户侧供水平均温度约为40.5 ℃,热泵机组COP约为5.8～8.0。测试期间热源侧进出水温度检测数据与监测数据对比如图3所示,由于检测值用管道外壁温度表征,监测值温度探头设置于管道内,检测值略高于监测值,热源侧进出口检测温差与监测温差一致,可以得出,2019年供暖季运行记录分析结果与现场测试结果基本吻合。

　　 6) 供暖季初期,热源侧进水温度较高,可达约32 ℃,如图4所示。在地埋管不断向外输送热量及从土壤中补充热量的综合作用下,随着气温降低,热负荷增大,热源侧进水温度逐渐降低至15 ℃左右,气温回升后,热源侧进水温度逐渐上升,至供暖季末约为25 ℃,期间热源侧可保持一定取热量,满足用户需求。

　　 项目总建筑面积约为13.86万m²,其中西区为办公楼,末端为风机盘管;东区为家属院,末端为铸铁散热器。设置地热孔13个,孔深2 500 m,孔间距15 m。系统主要设备技术参数如表2所示。

　　 东、西区采用梯级供暖方式,热源侧热水先进入东区热泵机组,再进入西区热泵机组。测试期间东、西区各开启2台机组,根据用户侧供水温度自动启停机组,通过单台运行及2台同时运行模式的切换,满足用户侧负荷变化需求,机组启动后逐渐加载至满负荷。

　　 1) 东区用户侧供水温度平均值为54.6℃,供回水温差平均值为5.6 ℃;西区用户侧供水温度平均值为39.6 ℃,供回水温差平均值为3.1 ℃。供水温度较为稳定,可以满足用户使用要求。

　　 2) 东区热源侧进水温度平均值为29.8℃,如图5所示;西区热源侧进水温度平均值为23.2 ℃,如图6所示。东、西区热源侧进水温度均较高。测试期间机组交替启动较为频繁,热源侧进出水温度有所波动。

　　 3) 测试期间,单井平均取热量约为330kW,延米换热量约为130 W/m,单井平均循环流量约为28 m³/h。

　　 4) 测试期间,室外平均温度为2.1℃,室内平均温度为22.5 ℃,东区机组平均COP为5.9,西区机组平均COP为6.4。

　　 1) 中深层地埋管供热系统热源侧取热量稳定,延米换热量约为120～130 W/m,而浅层地埋管供热系统热源侧延米换热量只有约40 W/m ^[13]。

　　 2) 热源侧进水温度为18.0～29.8 ℃,热泵机组COP达到5.9及以上,项目A系统COP达到4.7,相较于浅层地热源热泵的系统能效比提升50%以上,在供暖初期及末期热源侧进水温度较高时节能效果更加明显。

　　 3) 本次测试管井直径为245 mm,套管外管外径为177.8 mm,内管外径为110 mm。将测试单井平均取热量分别与Liu等人 ^[8]、王德敬等人 ^[9]给出的地埋管换热量评估值进行比较发现,其与Liu等人提出的结论较为一致。

　　 4) 本次测试单井平均循环流量约为24～28 m³/h,基本处于Liu等人给出的经济运行流量范围内 ^[8],水泵输配能耗占系统总能耗比例小于20%,循环水泵目前为定频运行,尚有变频节能潜力。

　　 5) 中深层地埋管供热系统虽然在供暖初期由于连续取热,热源侧温度有所下降,但是可持续保持稳定供应热量且热源维持在较高品位,能满足供暖季的用热需求。

　　 6) 测试项目显示出良好的运行能效,且初投资在可控范围内。因此,在一定条件下,中深层地埋管技术具有良好的推广前景。

　　 本研究目前仅有2个项目的运行数据,无法普适性地揭示问题本质。关于中深层地埋管供热技术的研究还需要国内外研究人员的大量工作,传热机理研究及其模型建立、实测数据分析等问题亟待解决,主要包括:

　　 1) 中深层地埋管技术的适用与否本质上是一个工程技术经济问题,即获取的高温热源的效能提升和获取高温热源代价之间的关系。目前中深层地埋管成本相对较高,高温热源代价主要在于地埋管打井成本,这取决于不同地质条件和打井施工水平。随着技术的不断进步,成本将逐步下降,据现有工程经验,当中深层地埋管打井成本单井控制在150万元以内时,其系统经济性较浅层地埋管好。暖通专业尚需重点研究高温热源的效能提升,即重点关注该技术的换热机理、关键参数、换热稳定性等问题。

　　 2) 目前国内外并无统一认可的中深层地埋管传热模型,这与该技术还处于发展初期、项目数量和数据有限、从业人员的认知有限有很大关系。这与浅层地埋管技术的发展历程是类似的,早期关于浅层地埋管技术的数学模型也是百花齐放,差异较大,随着工程实践的积累和研究人员的持续投入,最终形成业内认可的数学模型。

　　 3) 由于国内中深层地埋管供热项目体量尚处于增长初期,供热实际运行数据积累存在不足。笔者所在团队将继续对更多项目进行实测分析,并将数据与各研究团队建立的理论模型相比对,提炼成果融入所编制的标准中,以期为推动行业发展作贡献。

　　 4) 本文研究涉及的2个项目运行数据初步显示出中深层地埋管供热技术具有良好的推广应用前景。中深层地埋管地源热泵系统相比浅层地埋管地源热泵系统具有换热器占地面积小、换热强度大、对全年冷热负荷平衡要求低等特点。但由于地下传热机理的复杂性,很多根本性和机理性问题还未解决,推广过程中应秉承循序渐进、因地制宜、适度发展的原则,保证技术的可持续发展。