郭海明，吴军虎，胡平放，任虎俊，张 静，李振兴
(1.中国煤炭地质总局水文地质局，河北 邯郸 056004；
2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)
中深层地热能分布广泛，绿色环保，属于清洁低碳的可再生能源，可用于建筑供暖[1-2]，在当今能源短缺的形势下引起了越来越多的关注[3-4]。2021年国家发展和改革委员会等八部门联合印发的《关于促进地热能开发利用的若干意见》指出：“大力推进中深层地热能供暖。根据资源情况和市场需求，在京津冀、山西、山东、陕西、河南、青海等区域大力推进中深层地热能供暖。鼓励各地在进行资源评估、环境影响评价和经济性测算的基础上，根据实际情况选择‘取热不耗水、完全同层回灌’或‘密封式、井下换热’技术，最大程度减少对地下土壤、岩层和水体的干扰”。
中深层地埋管地源热泵系统属于“取热不取水”方式，目前已有少量研究与应用。CAI等[5]、LIU等[6]、HUANG等[7]、左婷婷等[8]通过数值模型对中深层地埋管传热性能及其影响因素进行了分析；
王德敬等[9]通过模拟研究，给出了中深层地埋管换热器名义取热量估算线图；
李骥等[10]对西安市两个中深层地埋管供热项目进行了运行工况连续测试，分析了热源侧和用户侧的供热量、热泵机组效率、系统效率等关键指标；
赵仕龙[11]分析了某中深层地热井的经济性；
阳春等[12]介绍了河南省和陕西省两个中深层地埋管地源热泵在住宅小区的应用情况；
赵阳[13]通过试验研究了同轴套管换热器中深层地热能采热系统换热效率和传热特性；
邓杰文等[14]对4个中深层地埋管项目进行了连续48 h以上的监测，得到了单位管长换热量、系统能效、出水温度等参数，发现其单位长度取热量可达常规地源热泵系统的2.0～3.6倍。总体而言，目前对中深层地埋管地源热泵实际项目的测试资料较少，而对实际工程进行实验测试研究，获得更多有益资料，对指导该技术的推广应用很有必要。因此，本文对陕西省某中深层地热井地埋管项目进行了换热量及系统性能测试，获得了部分数据，以期为中深层地埋管地源热泵系统设计及运行提供参考。
陕西省某矿区生活区、办公区和工业区的面积总计12万km2，原供暖方式为燃气锅炉，每年的燃气费超过2 000万元，供暖费用较高，且气源紧张。为响应国家节能减排政策，解决燃气供热费用较高问题，该矿区研究决定利用中深层地热清洁能源供暖，通过先行先试建立示范项目，项目成熟后再逐步替代原燃气供暖系统。
该项目采用单井同轴套管换热技术，通过地热井-地源热泵供暖方式将1#住宅楼、2#住宅楼作为试点进行集中供暖，试点建筑物共11层，高40 m，供暖面积约1.6万km2。因建筑末端为铸铁暖气片，且供暖方式为上下串联，即热水从十一层入户，逐层串联至一层出户，供暖热水温度要求较高，最冷日供暖热水温度需要达到80 ℃以上。为了不改变末端供暖形式，决定采用高温热泵机组。
该地热井直径为311 mm，井深3 183 m，井底温度107 ℃，是目前国内深度最深、井底温度最高的“取热不取水”地热井之一(图1)。地面建立了自动化远程操控的高温热泵+节能自控系统，能够满足建筑在极寒气候条件下进行供暖作业，同时应用高效换热装置及高导热固井材料，有利于提高深井的换热效果。
图1 中深层地埋管换热器结构图
2.1 系统原理与试验流程
1) 系统原理。该系统主要由单井同轴套管换热器、高温热泵机组、换热设备及附属设备组成。向岩层中钻进一定深度(1 500～3 000 m，井底温度70～120 ℃)的地热井，下入套管，采用高导热固井材料和固井工艺固井，并在井内安装高隔热性能的中心管组成单井同轴套管换热器。在地上循环泵的驱动下井下高温地热水从中心管内流出作为高温热泵机组的热源，利用热泵原理将能量转移与提升，使系统水达到建筑物采暖所需的供热温度(80 ℃)，从而稳定地向建筑物供暖，而地热井侧被提取温度降温后的冷却水再次通过中心管与套管间的环腔进入井下，经地层热储不断提取深层地热，再经中心管流出，如此往复循环运行，实现中深层地热“取热不取水”，同时长期为建筑物供热。系统原理如图2所示。
图2 系统原理图
2) 系统试验流程。①动力柜主电源供电，机房设备、自控柜供电；
②打开监控软件，记录地面机房换热参数；
③启动定压补水装置向地热侧管路、二次侧管路、用户侧管路补水；
④依次启动用户循环泵、二次循环泵、地热循环泵及热泵机组；
⑤运行结束时，轻触“停机”按钮，热泵机组停机，二次循环泵和地热循环泵停止，用户循环泵停止。
2.2 机房设备配置
地热井同轴管换热机房相关设备及其型号参数见表1。
表1 中深层地埋管地源热泵系统机房设备配置表
3.1 测试方法
该项目中地热井为竖直井，井深长度3 183 m，中心管入井总长度为3 150 m。为了获得地下平均温度、地热井取热能力和系统性能，进行了四种工况测试，具体如下所述。
1) 岩土层初始平均温度测试工况：仅中深层地埋管回路循环运行，时间为2021年2月10日—2月11日(24 h)。
2) 取热能力测试工况：2021年2月18日(2 h)，循环水用户侧阀门关闭，系统运行至循环水温达到设定值。
3) 系统运行工况一：2021年2月23日—3月3日(8 d)，末端侧接通2#住宅楼(建筑面积9 078 m2，室内暖气片散热)，系统带负荷运行。
4) 系统运行工况二：2021年3月17日—3月23日(6 d)，末端侧接通1#住宅楼、2#住宅楼(建筑面积1.6万m2，室内暖气片散热)，系统带负荷运行。
3.2 岩土层静态初始温度分布
通过专用测温仪测得地热井井底初始温度为107 ℃，从地面到地下3 183 m的静态温度沿井深方向基本呈线性变化(图3)，平均温度为70.6 ℃。
3.3 岩土层初始平均温度测试工况
岩土层初始平均温度测试从2021年2月10日12点开始，到2021年2月11日12点结束，仅地埋管回路循环运行，运行24 h后，循环流体温度基本稳定。地热井水平均流量为63 m3/h，地热井供水温度随时间变化曲线如图4所示。地热井供水温度稳定值为70.3 ℃，该温度近似代表地热井的地下岩土平均温度。对比图3可知，该平均温度与沿井深方向不同深度地下温度的平均温度近似相同。
图3 地热井地层初始温度曲线图
图4 单井循环工况地热井供水温度变化曲线图
3.4 最大取热能力测试工况
取热能力测试采用末端系统无负荷运行方式，即关闭系统与负荷端连接管路阀门，开启内环路循环，启动机组全负荷运行，供水温度逐渐上升，至目标温度80 ℃时结束。
运行2 h，地热井水流量为63 m3/h，用户侧水流量104 m3/h。在板式换热器(换热装置)与地热井循环回路端，设有电子三通调节阀，如果地热井流出的流体温度过高、流量较大，地热井的输出热量大于热泵机组蒸发器需求热量，则通过调节电子三通调节阀开度，使地热水直接旁通流回至地热井，在此过程中流经换热装置的水流量和温度不断波动，这也使得地热井回水温度波动较大。测量用户侧、地热井侧供/回水温度，热功率、设备电功率等参数如图5所示。
图5 取热能力测试工况用户侧、地热井侧供/回水温度变化曲线图
由图5可知，取热能力测试工况运转期间，热泵机组由0%逐渐加载至100%，直至用户侧供水温度达到目标温度后，热泵机组卸载停机。测试期间，用户侧供/回水温度平稳上升至目标温度；
地热井侧供水温度由62 ℃逐渐降低至59 ℃，曲线无波动；
为保证热泵机组稳定运行，蒸发侧进水温度稳定在15～25 ℃，地热井侧回水温度呈规律性波动，波动幅度较大。热泵机组100%运行时，用户侧热功率平均为1 121 kW，机房总功率为490 kW，地热井热功率平均为692 kW，单位管长换热量为217.4 W/m，该数值可视为地热井在该供回水温度下的最大取热量。此时地热井侧供回水温度均较高，如果进一步增大热泵的负荷，加大地热井侧供回水温差，其换热量会进一步增大。
3.5 系统运行工况
因测试时天气转暖，末端负荷减小，热泵机组(2台压缩机)只启动运行了1台压缩机。系统运行工况一：对2#住宅楼进行供暖作业，供热面积为0.9万m2，2021年2月23日12点开始，2021年3月3日8点结束，地热井水流量为60 m3/h，用户侧目标温度70 ℃，运行时间188 h；
系统运行工况二：对1#住宅楼、2#住宅楼进行供暖作业，供热面积1.6万m2，2021年3月17日开始，2021年3月23日结束，运行时间144 h。因其他原因系统暂停运行9 d后，开始测试系统运行工况二，保证了系统运行工况二测试过程的连续性，截取时间为系统出水温度为50 ℃时开始。
系统运行工况一时，用户侧供/回水温度、地热井侧供/回水温度、瞬时流量、热功率等参数随时间变化情况如图6～图8所示。由图6～图8可知，系统运行工况一测试期间热泵机组采用单压缩机运行， 用户侧水流量平均为115.9 m3/h， 用户侧供水温度基本稳定在65～70 ℃之间；
地热井侧供水温度由61 ℃降低到56 ℃，平均温度58.6 ℃；
由于用户侧负荷较小，热泵机组采用间歇式运行，停机次数较多，用户侧和地热井侧供回水温度、热功率呈规律性波动，波动幅度较大；
累计热量和电能呈比例稳定增长。运行测试期间，用户侧日热量、地热井侧日热量和设备日总电能较均衡。
图6 系统运行工况一用户侧供/回水温度变化曲线图
图7 系统运行工况一地热井侧供/回水温度变化曲线图
图8 系统运行工况一地热井热功率变化曲线图
系统运行工况二时，选取2021年3月17日—2021年3月23日的用户侧、地热井侧的供/回水温度、热功率等参数，为保证系统测试准确性，系统运行工况二的起始记录从出水温度为50 ℃时开始，其随时间变化曲线如图9～图11所示。由图9～图11可知，系统运行工况一测试期间热泵机组采用单压缩机运行，用户侧流量104.5 m3/h，地热井平均流量61.5 m3/h，地热井出水温度基本稳定在57.7 ℃，地热井进水温度基本稳定在56.2 ℃，由于用户侧负荷较小，热泵机组采用间歇式运行，用户侧供/回水温度、地热井侧供回水温度均呈规律性波动，受测温点监测温度滞后影响，地热井热量波动幅度较大；
运行测试期间，用户侧日热量、地热井侧日热量和设备日总电能较均衡。
图9 系统运行工况二用户侧供/回水温度变化曲线图
图10 系统运行工况二地热井侧供/回水温度变化曲线图
图11 系统运行工况二地热井热量变化曲线图
3.6 地热井系统参数分析
根据地热井试运行结果，该中深层地埋管地源热泵系统运行参数见表2(末端为铸铁暖气片)。
表2 中深层地埋管地源热泵系统运行参数分析
初期测试时，热泵机组双机头全负荷运行，该中深层地埋管系统的单位管长换热量为217.4 W/m，处于目前国内中深层地埋管系统中的较高水平[1,3-4,7]。
带室内负荷全系统试运行8 d 188 h(系统运行工况一)，热泵机组为单压缩机间歇式运行，换热参数呈规律性波动。地热井机房总功率144 kW，用户侧热功率286 kW。系统平均综合能效比为1.99(此时系统部分负荷率约为25%)。初步分析系统末端为散热片，供水温度较高、负荷偏小等是能效比偏低的主要原因。由系统运行工况二测试可知，由于环境温度升高，室内负荷减小，地热井的供水温度变化不大，但回水温度有所提升。
2020年该矿区所在地各用电时段电价实行分时电价，在地热井24 h基本平稳运行的情况下，根据峰谷段电价加权平均后的单价为0.53元/kW·h。系统运行工况一和系统运行工况二的系统运行费用对比分析见表3。在2021年3月17日—2021年3月23日期间，系统运行工况二供热面积1.6万m2情况下，单位面积运行电费较系统运行工况一(供热面积0.9万m2)更低，这是由于系统运行工况二的环境温度升高、建筑热负荷减小所致。该项目采用原燃气锅炉供热时，平均每月每平米运行费用约7.6元，应用该中深层地热源热泵供暖后，系统运行费用较原燃气供暖费用明显下降。
表3 系统运行费用
该项目运行时，两阶段供热面积依次仅为0.9万m2和1.6万m2，因末端负荷所限，热泵机组只承载25%～50%，运行过程中每小时均有停机卸载现象，若热泵机组100%运行，则约可满足3万m2建筑的供暖。
对陕西省某矿区某3 183 m深中深层地埋管地源热泵系统进行了岩土层初始平均温度、地热井取热能力及热泵系统运行工况测试，结论如下所述。
1) 该地热井井底初始温度为107 ℃，不同深度岩土层初始平均温度为70.3 ℃。该中深层地埋管地源热泵系统在地热井侧进出水温度(>50 ℃)均较高的情况下，单位管长换热量为217.4 W/m，处于目前国内中深层地埋管系统中的较高水平。
2) 用户侧供水温度为70 ℃，末端采用散热片，系统部分负荷率约为25%时，该中深层地埋管地源热泵系统平均综合能效比为1.99，总体偏低，负荷偏小、供水温度较高是系统能效比偏低的主要原因。建议末端散热器采用地板辐射供暖方式，降低供水温度，提高系统能效潜力。
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