太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱技術的探索和研究

田斌守，邵繼新，楊海鴻，司雙龍，藺瑞山，夏 斌

(1. 甘肅省建材科研設計院有限責任公司，蘭州 730020；2. 甘肅省綠色建筑技術重點實驗室，蘭州 730020)

0 引言

在當今能源領域，開發利用新能源，逐步降低化石能源的消耗量是大勢所趨。近年來，中國對新能源的開發利用非常重視。據國家統計局公布的數據顯示：2018年，中國能源生產總量為37.7億噸標準煤當量，其中，煤炭的占比為69.3%，石油的占比為7.2%，天然氣的占比為5.5%[1]。據清華大學建筑節能研究中心對中國建筑領域用能及二氧化碳排放量的核算結果顯示：2018年，建筑建造和建筑運行用能占全社會總能耗的36%，其中，建筑運行用能占全社會總能耗的22%，同時建筑運行用能的二氧化碳排放量在全社會總二氧化碳排放量中的占比達到了20%[2]。另外，根據姜洪殿等[3]的研究結果，2020年中國一次能源消費總量將達到3503.1百萬噸油當量(約50億噸標準煤當量)，新能源消費總量將達到690.5 百萬噸油當量。

中國能源形勢很嚴峻，新能源具有強勁發展勢頭，必將成為能源生力軍。在新能源應用中，太陽能和地熱能在建筑用能領域具有極大的應用潛力。

太陽能熱利用在建筑領域的應用歷史較長，在主動式技術、被動式技術方面都有一定的積累和較豐富的應用成果。太陽能具有普遍性，有陽光普照的地方，就可以利用太陽能；但同時太陽能也存在能量密度低的問題，太陽入射到地球大氣層外表面的太陽輻照度為1353 W/m2，而地面上太陽輻照度小于1000 W/m2。另外，太陽能還存在不穩定、不連續的問題，主要表現為：日夜更替的晝夜不平衡、四時變換的季節不平衡、陰晴雨雪的天氣不確定性。而建筑等用熱末端要求供熱穩定、連續，因此為了解決穩定供熱問題，在建筑等用熱末端使用太陽能時必須增加儲熱環節，但這將會使整個供熱系統變得復雜，導致投資增加，且運行費用提高。

根據地熱能的賦存形式，通常將地熱能分為水熱型、巖熱型、淺層地熱型和深層地熱型等。基于地溫梯度原理，在地表以下2500 m深處的巖土層溫度約為70～90 ℃，此處巖土層所蓄積的熱能即為中深層地巖熱。而地巖熱屬于巖熱型地熱能中的一種，與水熱型地熱能有所區別，本文僅針對地巖熱進行研究。地巖熱普遍存在，幾乎任何地方都有，資源量巨大；其溫度比干熱巖低，可以稱為低品位地熱能，可廣泛應用于建筑供暖、設施農業、農產品加工、食品加工、工業干燥等領域。

近年來，科學合理地開發中深層地巖熱技術受到了業界關注。中國科學院地質與地球物理研究所的孔彥龍等[4]研究了深井換熱技術的原理，并對其單井換熱量進行了評估，研究結果顯示：間歇換熱可實現中深層地巖熱200 W/m的穩定、連續開采，且地溫梯度對換熱量有較為顯著的影響。清華大學的鄧杰文等[5]研究了中深層地巖熱技術的利用對環境的影響及持續采熱的效果，研究結果表明：中深層地巖熱技術無需提取地下水，對地下水資源、地下環境無影響；熱源側取熱于地下的中深層地巖熱，其熱量直接來自于地球內部熔融巖漿和放射性物質的衰變過程，有源源不斷的熱量補充到中深層地巖熱中，能夠從根本上解決補熱問題，因此熱源側換熱器單位長度取熱量可以達到常規地源熱泵系統的2.0～3.6倍。

目前，在建筑供暖領域已分別有地熱能和太陽能的應用研究，但針對中深層地巖熱和太陽能聯合應用的系統性研究還未見報道。

在此背景下，為了充分利用蘭州地區豐富的太陽能資源和地熱資源，本文將太陽能集熱系統與中深層地巖熱供熱系統相結合，開發了太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統。以蘭州地區的太陽能資源為基礎，在連續取熱、地溫梯度為30 ℃/km的條件下模擬了單口直徑為200 mm、深度為2500 m的中深層地巖熱換熱井的供熱情況及地巖溫度恢復情況，并對太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的控制系統進行了優化設計，提出了6種運行模式，以結合太陽能和地熱能的優勢[6]，使投資效益和運行費用達到最優；最后實際測試分析了采暖季該多能互補供熱系統的運行情況。

1 太陽能集熱系統的設計開發

1.1 項目所在地的基礎資料

太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的項目所在地為甘肅省蘭州市，地理位置為36.05°N、103.88°E，海拔高度為1517.2 m。蘭州市的年平均溫度為9.8 ℃，采暖季室外計算溫度為-9.0 ℃；冬季時，室外相對濕度為54%，室外平均風速為0.5 m/s，最大凍土深度為98 cm，室外大氣壓力為85.15 kPa；夏季時，室外大氣壓力為84.32 kPa。

1.2 當地太陽能資源

蘭州市的太陽能資源情況如表1所示。表中：Ta為月平均室外溫度；Ht為水平面上月平均日太陽總輻射量；Hd為水平面上月平均日太陽散射輻射量；Hb為水平面上月平均日太陽直射輻射量；H為當地緯度傾斜面上月平均日太陽總輻射量；H0為大氣層上界面的月平均日太陽總輻射量；Sm為月日照小時數；Kt為大氣晴朗指數。

表1 蘭州市的太陽能資源情況Table 1 Solar energy resources of Lanzhou City

根據表1的數據，可以計算得出當地緯度傾斜面上年太陽總輻射量可達到5754.7 MJ/m2，水平面上年太陽總輻射量可達到5457.5 MJ/m2。由此可知，蘭州市的太陽能資源非常豐富，具有太陽能資源利用的巨大優勢。

1.3 太陽能集熱系統

在本太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統中，太陽能集熱系統的初步設計為雙蓋板平板式太陽能集熱器，根據工程條件，太陽能集熱器陣列的總集熱面積設計為200 m2。根據《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊》[7]，計算整理得到太陽能集熱系統的主要參數的取值，具體如表2所示；太陽能集熱系統的得熱量及其時間分布情況如表3所示。

表2 太陽能集熱系統的主要參數取值Table 2 Values of main parameters of solar heat collection system

表3 太陽能集熱系統的得熱量及其時間分布情況Table 3 Heat gain of solar heat collection system and its time distribution

從表3可以看出：太陽能集熱系統的理論全年得熱量為133429 kWh，相當于16418 千克標準煤的發熱量，集熱效果顯著；太陽能集熱系統在非采暖季的得熱量占其全年得熱量的比例為68.4%，這部分熱量若得不到充分利用，對于能源和投資都是巨大的浪費。因此，太陽能集熱系統的季節不平衡性需要引起足夠的重視。

綜上所述，在進行系統設計時就應考慮太陽能集熱系統全年得熱量的利用問題。通常，為了保證太陽能集熱系統提供的熱量可以滿足建筑的冬季采暖，會使該系統的集熱面積過大，導致非采暖季其得熱量得不到利用，并且還會造成太陽能集熱系統過熱，從而影響元器件的壽命。應在綜合考慮投資效益、運行費用等因素的基礎上，設計儲熱單元來儲存太陽能集熱系統在非采暖季的得熱量，以便更加有效地利用太陽能資源和提高設備利用率。

2 中深層地巖熱供熱系統的設計開發

目前，開發利用中深層地巖熱的技術路線是向地下一定深度處的巖土層鉆孔，并在孔中安裝封閉循環的換熱裝置，通過專用設備系統向建筑物供熱[8]。中深層地巖熱供熱系統主要是采用同軸套管換熱技術[4-5]或U型管換熱技術，其主要特點是“井下換熱、取熱不取水”，這是《地熱能開發利用“十三五”規劃》[9]加強研發的關鍵技術。中深層地巖熱供熱技術的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 中深層地巖熱供熱技術的工作原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of working principle of mediumdepth strata geothermal heating technology

由于中深層地巖熱供熱技術的換熱過程中地巖溫度會發生變化[10-11]，因此，單口井取熱的熱影響半徑的大小，以及隨著取熱進程的持續，地巖溫度的恢復情況等成為該技術最受關注的問題。單口井取熱的熱影響半徑的大小決定了井群的布置策略，取熱進程中地巖溫度的恢復情況決定了中深層地巖熱供熱系統持續使用的可行性。綜上所述，需要研究中深層地巖熱供熱系統的地巖溫度在時間和空間上的分布情況。本文所研究的中深層地巖熱供熱系統采用同軸套管換熱技術。中深層地巖熱換熱井計算參數的設置如表4、表5所示。

表4 中深層地巖熱換熱井的物理參數Table 4 Physical parameters of heat transfer well using medium-depth strata geothermal

表5 中深層地巖熱換熱井的主要熱物性參數Table 5 Main thermophysical parameters of heat transfer well using medium-depth strata geothermal

采用CFD模擬仿真軟件進行中深層地巖熱換熱井的換熱模擬計算，計算條件設置為：

1)忽略鉆孔內部材料(同軸套管管壁、回填材料等)熱容，其相比于巖土層熱容較小，將鉆孔內部視為穩態傳熱；

2)同軸套管式地埋管換熱器內外管的中心線重合，忽略地下水滲流情況；

3)假設巖土層的熱物性均勻，各地層的干度一致；

4)換熱過程連續(不考慮系統間斷運行)；

5)傳熱為準穩態過程，沿徑向一維傳熱，忽略軸向傳熱。

在中深層地巖熱換熱井實際運行中，地巖中的熱量源源不斷地傳遞給換熱器內的介質，地巖周圍溫度受到影響后將會產生變化。本文將中深層地巖熱換熱井運行過程中，鉆孔徑向未受到換熱影響的巖土層與鉆孔中心的距離定義為熱影響半徑，即可通過研究地巖溫度沿鉆孔徑向的分布來確定中深層地巖熱換熱井的熱影響半徑。通常將熱影響半徑之外的地巖溫度定義為遠場溫度。在鉆孔直徑為200 mm的情況下，中深層地巖熱換熱井對巖土層的熱影響半徑的CFD模擬結果如圖2所示，模擬計算時需要劃分網格，單元高度的巖土層及管內溫度分布的模擬結果如圖3所示。

圖2 中深層地巖熱換熱井對巖土層的熱影響半徑的CFD模擬結果Fig. 2 CFD simulation results of thermal influence radius of heat transfer well using medium-depth strata geothermal on rock soil layer

圖3 單元高度的巖土層及管內溫度分布Fig. 3 Temperature distribution in rock soil layer and pipe at unit height

從圖2、圖3可以看出：中深層地巖熱換熱井對巖土層的熱影響半徑約為8 m，而且熱影響半徑會隨著地層深度的變化而變化，呈現出先減后增的趨勢；在地層深度約500 m時，熱影響半徑最小，這是因為中深層地巖熱換熱技術的充分換熱段是在換熱井深部，根據地巖溫度分布狀況，換熱井井深500 m處剛進入地熱增溫段，因此該處的地巖溫度還比較低。

在換熱過程中，同軸套管式換熱器中的內管向外流出熱水，從外管與內管之間的環隙向下流入冷水。在換熱井井深約500 m處，內管中的水溫高于環隙中的水溫，內、外管之間存在熱量交換，環隙中的水從內管中獲取熱量，又向外管傳遞熱量，這樣使環隙中的水溫與井深500 m處巖土層溫度之間的溫差最小。

在地巖熱換熱井入口處的流體流速為1 m/s、流體溫度為24 ℃的條件下，對采暖季時地巖溫度分布情況進行模擬，模擬結果如圖4所示；對采暖季結束后地巖溫度的恢復情況進行模擬，模擬結果如圖5所示。

圖4 采暖季時地巖溫度分布情況Fig. 4 Distribution situation of ground rock temperature in heating season

圖5 采暖季結束后地巖溫度的恢復情況Fig. 5 Recovery situation of ground rock temperature after the end of heating season

從圖4可以看出：在采暖季，中深層地巖熱供熱系統運行約30天后，地巖溫度達到了較為穩定的狀態。

從圖5可以看出：采暖季結束后，地巖溫度逐漸恢復；且采暖季結束后的第120天時，換熱井底部及沿程溫度(即沿井深方向的溫度分布)與遠場溫度相等。由于遠場溫度不受采暖季取熱的影響，所以該溫度也就是采暖季開始前的地巖溫度。據此可以判定，換熱井地巖溫度恢復到采暖季取熱開始前的水平需要120天，即地巖溫度恢復周期為120天。

3 太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的工作模式

為了使太陽能集熱系統和中深層地巖熱供熱系統這2種能源系統耦合起來后可以達到最優的運行效果，設計了太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的控制邏輯和運行模式。該多能互補供熱系統的控制邏輯示意圖如圖6所示。圖中：P1～P4均為循環泵；F1～F12、Fa、Fb均為閥門；下文同。

圖6 太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的控制邏輯示意圖Fig. 6 Schematic diagram of control logic of solar energy and medium-depth strata geothermal multi energy complementary heating system

太陽能集熱器陣列

該多能互補供熱系統可實現6種運行模式：1)運行模式1為太陽能集熱系統單獨向用戶端供熱；2)運行模式2為中深層地巖熱供熱系統直接供熱；3)運行模式3為“太陽能集熱系統+中深層地巖熱供熱系統”聯合供熱；4)運行模式4為通過中深層地巖熱熱泵機組供熱；5)運行模式5為“太陽能集熱系統+中深層地巖熱熱泵機組”聯合供熱[11-12]；6)運行模式6為非采暖季太陽能跨季節儲熱。

從6種運行模式的運行成本來看，運行模式1的運行成本最低，運行模式2的運行成本次之，運行模式4的運行成本最高。這是因為只要天氣晴好，太陽能集熱系統可將太陽能直接轉化為熱能，期間的運行成本僅為工質的循環泵耗電量(下文簡稱為“循環泵耗”)(熱源側循環泵的功率為2.2 kW)；中深層地巖熱供熱系統直接供熱的運行成本也是工質的循環泵耗(熱源側循環泵的功率為11 kW，大于太陽能集熱系統的循環泵耗)；中深層地巖熱熱泵機組供熱的運行成本最高，這是因為換熱井中的熱能溫度達不到用戶端需求，需要通過熱泵機組(功率為130 kW)來提升熱能溫度，因此該運行模式的功耗最大。

本多能互補供熱系統設計的6種運行模式中，除運行模式6之外，其他5種運行模式需要依據日照條件、用戶端需求(比如在采暖季初寒期、末寒期用戶的需求最低，而在中期用戶的需求最大)、換熱井底部溫度等條件進行綜合考慮，再決定啟動其中某種運行模式，其目的是在滿足用戶端需求的前提下，使系統的運行成本達到最低。

3.1 運行模式1

該多能互補供熱系統采用運行模式1時，通過控制閥門，實現太陽能集熱系統單獨向用戶端供熱，此時中深層地巖熱供熱系統不啟動。采用運行模式1時多能互補供熱系統的運行原理如圖7所示。

圖7 采用運行模式1時多能互補供熱系統的運行原理示意圖Fig. 7 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 1

3.2 運行模式2

在采暖季的初寒期和末寒期，用戶端熱負荷較小，陰天、雨、雪等太陽輻照度不好的情況下可以采用運行模式2，即采用中深層地巖熱供熱系統直接供應用戶端用熱量，此時多能互補供熱系統耗能為循環泵耗，可以達到低成本運行的目的。采用運行模式2時多能互補供熱系統的運行原理示意圖如圖8所示。

圖8 采用運行模式2時多能互補供熱系統的運行原理示意圖Fig. 8 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 2

3.3 運行模式3

在多能互補供熱系統采用運行模式2的基礎上，如果天氣晴好，可以通過設定溫度閾值控制閥門開啟，實現“太陽能集熱系統+中深層地巖熱供熱系統”聯合向用戶端供熱，即采用運行模式3。采用運行模式3時多能互補供熱系統的運行原理如圖9所示。

圖9 采用運行模式3時多能互補供熱系統的運行原理示意圖Fig. 9 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 3

3.4 運行模式4

在用戶端熱負荷較大的情況下，多能互補供熱系統通常采用運行模式4，即通過中深層地巖熱熱泵機組供熱。該運行模式是將地巖熱換熱井內已經完成巖土層換熱的熱水抽到地面機房，通過中深層地巖熱熱泵機組與系統末端來的冷水完成換熱，然后再回到換熱井內與巖土層換熱，系統末端來的冷水換熱后變成熱水供向系統末端；如此循環進行。采用運行模式4時多能互補供熱系統的運行原理如圖10所示。

圖10 采用運行模式4時多能互補供熱系統的運行原理示意圖Fig. 10 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 4

3.5 運行模式5

在多能互補供熱系統采用運行模式4的基礎上，如果天氣晴好，可以將太陽能集熱系統的得熱量并入用戶端供熱管路，實現“太陽能集熱系統+中深層地巖熱熱泵機組”聯合向用戶端供熱模式，即采用運行模式5。采用運行模式5時多能互補供熱系統的運行原理如圖11所示。

圖11 采用運行模式5時多能互補供熱系統的運行原理示意圖Fig. 11 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 5

3.6 運行模式6

從表2可以看到：非采暖季時太陽能集熱系統的得熱量很大，是采暖季時的2倍多。若這些熱量不能得到利用，會是巨大的浪費，同時太陽能集熱系統過熱也會影響其壽命。如果能將太陽能集熱系統獲得的熱量利用中深層地巖熱換熱井來進行儲熱，實現太陽能跨季節儲熱，則有望很好地解決上述問題。該多能互補供熱系統設計了太陽能集熱系統向中深層地巖熱換熱井回補的管路，即運行模式6，實現“太陽能+中深層地巖熱換熱井”儲熱，以便后續探索利用地巖熱換熱井實現太陽能跨季節儲熱的可行性。采用運行模式6時多能互補供熱系統的運行原理如圖12所示。

圖12 采用運行模式6時多能互補供熱系統的運行原理示意圖Fig. 12 Schematic diagram of operation principle of multi energy complementary heating system in operation mode 6

需要說明的是，本文對非采暖季時利用中深層地巖熱換熱井實現太陽能跨季節儲熱的相關分析不做贅述，將另文撰述。

4 多能互補供熱系統的運行測試與分析

根據上述研究結果，在蘭州市建成太陽能與中深層地巖熱互補供熱實驗項目。該實驗項目的多能互補供熱系統由1套中深層地巖熱供熱系統(含1口地巖熱換熱井)和1套太陽能集熱系統組成，換熱井的直徑為200 mm、深度為2500 m；采用雙蓋板藍膜平板式太陽能集熱器，總集熱面積為202 m2(為實現土地高效利用，采用停車場與太陽能集熱器陣列一體化設計，形成了12個標準停車位)。在供熱管路上安裝3塊熱計量表，分別在線計量換熱井出口處的得熱量、太陽能集熱系統的得熱量和用戶端總供熱量。太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的項目實景及控制系統界面如圖13所示。

圖13 太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統的項目實景及控制系統界面Fig. 13 Project photos and control system interface of solar energy and medium-depth strata geothermal multi energy complementary heating system

該多能互補供熱系統建成后，在采暖季進行了測試。以2018年2月3—5日的數據為例，采暖季時太陽能集熱系統的得熱量測試結果如表6、圖14所示。

圖14 2018年2月3—5日太陽能集熱系統的逐時得熱量Fig. 14 Hourly heat gain of solar heat collection system from February 3 to February 5，2018

表6 采暖季時太陽能集熱系統的得熱量測試結果Table 6 Test results of heat gain of solar heat collection system in heating season

從表6和圖14可以看出：測試期間，太陽能集熱系統的平均日累計得熱量為307 kWh，每分鐘最大得熱量為1.15 kWh。對測試數據進行處理后可以得到：測試期間，太陽能集熱系統的最高供水溫度為51.3 ℃、最高回水溫度為38.0 ℃，供回水溫差為13.3 ℃；平均供水溫度為45.0 ℃、平均回水溫度為35.1 ℃，供回水平均溫差為9.9 ℃。

項目建設地的采暖期為150天，從用戶端的熱計量表可以得到整個采暖期多能互補供熱系統的總供熱量為418687 kWh。

由此，可計算得到多能互補供熱系統的日均供熱量Qd，其計算式為：

式中：Qz為整個采暖期多能互補供熱系統的總供熱量，kWh；t為整個采暖期的時長，天，本文取150。

將整個采暖期內多能互補供熱系統的總供熱量及整個采暖期的時長代入式(1)，可以得到該多能互補供熱系統的日均供熱量為2791.2 kWh。

太陽能集熱系統的得熱量在總供熱量中的占比n的計算式為：

式中：Qs為太陽能集熱系統的平均日得熱量，kWh，本文取307。

將相關數值代入式(2)，可以得到在采暖季，該太陽能集熱系統的得熱量在總供熱量中的占比為11%，即太陽能集熱系統可以為整個多能互補供熱系統提供約11%的熱量。

5 結論

為了充分利用蘭州地區豐富的太陽能資源和地熱資源，本文開發了一種太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統，對其控制系統進行了優化設計；然后在蘭州當地建設了1套太陽能集熱系統集熱面積為202 m2，單口中深層地巖熱換熱井直徑為200 mm、深度為2500 m的太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統，并對其在采暖季的運行情況進行了測試分析。研究結果表明：

1)太陽能集熱系統的理論全年得熱量為133429 kWh，其在采暖季的得熱量占其全年得熱量的31.6%。

2)在連續取熱、地溫梯度30 ℃/km條件下，中深層地巖熱換熱井的熱影響半徑約為8 m，采暖季結束后約在120天地巖溫度可恢復，可實現中深層地巖熱持續供熱。

3)太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統有6種運行模式，其可以根據用戶端熱負荷的變化情況和日照條件進行自動控制，靈活配置能源。

4)對于本多能互補供熱系統，在采暖季，太陽能集熱系統的平均日得熱量為307 kWh，每分鐘最大得熱量為1.15 kWh；太陽能集熱系統的最高供水溫度為51.3 ℃、最高回水溫度為38.0 ℃，供回水溫差為13.3 ℃；平均供水溫度為45.0 ℃、平均回水溫度為35.1 ℃，供回水平均溫差為9.9℃。在采暖季，太陽能集熱系統可以為整個多能互補供熱系統提供約11%的熱量。

5)在非采暖季，太陽能集熱系統的理論得熱量占其全年得熱量的比例為68.4%，因此為充分利用太陽能資源和使投資效益最大化，需設計儲熱單元以儲存非采暖季時太陽能集熱系統的得熱量。本多能互補供熱系統設計了非采暖季的儲熱回路，以便利用中深層地巖熱換熱井實現太陽能跨季節儲熱。

綜上所述，太陽能與中深層地巖熱多能互補供熱系統利用中深層地巖熱供熱系統來解決因晝夜，陰、晴天氣等因素引起的太陽能集熱系統不穩定、不連續的問題；同時在日照條件良好的情況下，該系統可以利用太陽能集熱系統進行供熱，使中深層地巖熱供熱系統承擔的負荷降低，減輕連續取熱狀態下地巖熱換熱井的地巖溫度降低程度，有利于地巖溫度在短期內恢復，使該多能互補供熱系統可以實現更加高效的為建筑供暖的目的。