中深層套管換熱裝置在高導熱性巖層中的供熱研究

中圖分類號：X172 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0120-04

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.034

Abstract： In the fieldof geothermal heating，inorder to break throughthelimitationsof shallow geothermal technology， technicians have proposed middle deep shellheat exchanger in practicaldevelopment.This paper introduces the basic principles of heattransfer in medium and deep casing，and models geothermal wels and verifies heat transfer experiments based o practical projects.The results indicate that the distribution of ground temperature is closelyrelated to the geological structure.In practical engineering，itisrecommended toarrnge well clusters ina linear mannerand provide multiple heat sources for coupled heating to reduce project investment.

Keywords： middle deep shell heat exchanger; geothermal well; well group heat exchange

1中深層套管換熱的基本原理

在“十四五”規劃的指引下，我國將碳達峰、碳中和目標融人經濟社會發展全局，中深層套管換熱裝置作為地熱利用的新手段逐漸凸顯其作用。中深層套管換熱裝置主要在 2000～3000m 的深度埋設換熱管，通過熱泵機組取熱升溫后供暖。相比淺層地源熱泵，該技術主要利用地球內部放射性元素衰變釋放的傳導型地熱資源，無須考慮季節儲熱平衡。相比于傳統水熱式系統，該技術不需要開采地下水，也無常見的回灌難題。中深層套管換熱裝置主要有同軸套管換熱和U型管換熱兩種方式。U型換熱管因投資大，一般用于廢棄井改造或試驗裝置。本研究根據實際的地下巖層分布，建立深度為 2800m 的同軸套管換熱模型，并進行數據模擬及現場試驗分析。

換熱井被周圍巖土包圍，傳熱分為3個區域，即管內對流換熱、管壁導熱和巖土導熱。由于中心管的存在，將傳熱分成兩個部分，即巖土向環孔流體的傳熱和中心管內流體向環孔的傳熱[1]

根據能量守恒，可以得到

式中： Q₁ 為周圍巖土向地埋管的傳熱量， W ·Q₂ 為中心管向環孔的傳熱量， W ； T_ff 為周圍巖土溫度， °C ； T_fw 為環孔流體溫度， °C ； T_fn 為中心管內流體溫度， °C ； T_out 為中心管出口流體溫度， °C ； T_in 為中心管入口流體溫度， °C ； T_b 為管底流體溫度， °C ·c 為流體比熱， J/Ω 0 Φ_kg?Φ_C^q， ）； G 為流體質量流量，kg/s ; R_s 為參與換熱的巖土的熱阻， ; R_g 為固井層的熱阻， C/W ： R_pw 為外套管的管壁熱阻， C/W R_pn 為中心管的管壁熱阻， ; R_fww 為環孔內流體與外套管的對流換熱熱阻， ^°C/W ; R_fwn 為環孔內流體與內套管的對流換熱熱阻， ^°C/W ； R_fn 為中心管內流體的對流換熱熱阻， C/W 。

2地熱井實例及模型驗證

2.1項目總體情況

2.1.1 項目地層熱物性參數

某中深層地熱供熱項目位于陜西省寶雞市，設計供熱面積為20萬 m² ，末端用戶主要采用低溫地板輻射供暖。規劃設置一處熱源廠，配套設置多處換熱站后供熱。根據項目實際勘探成果，其地層熱物性特點如下。

地下 0～200m 為第四系黃土，導熱系數為2.0W/ ），體積比熱為 2.25kJ/ （ kg?m³， 。地下 200～790m 為新近系泥質砂巖，導熱系數為1.92W/（ ），體積比熱為 2.64kJ/ （ kg?m³） 。地下 790～2800m 為中元古界薊縣系白云巖，導熱系數為 6.15W/（Ωm?C） ，體積比熱為 2.43kJ/（kg?m³） 。

2.1.2 地溫分布

項目地溫采用勘察地熱井解釋成果表數據，地表溫度取 13°C ，井底溫度為 68^°C ，項目的地溫分布曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，地溫分布與地層結構密切相關。在 790m 地層分界處，地溫發生顯著變化。項目所在地整體的地溫分布呈非線性趨勢。

圖1地溫分布

2.2地熱井建模及換熱試驗驗證

2.2.1 地熱井參數

地熱井為同軸套管式，外護管為 ?177.80mm× 9.19mm 石油套管，中心管為 ?110mm×10mm 聚乙烯（Polyethylene，PE）管，固井水泥外徑為 ?243.1mm ，鉆孔深度為 2800m 。

2.2.2 物理模型

依據鉆孔尺寸建立全尺寸數值模型，如圖2所示。巖土外邊界設置為絕熱，管內流體為紊流換熱[2]。

圖2網格劃分

2.2.3 試驗驗證

模型建立完畢后，現場進行換熱試驗，以驗證模型的準確性。本項目采用恒定入口水溫和流量的方法進行測試。入口水溫恒定為 24.5^qC 、流量為 20m³/h O試驗連續進行 34.5h 。運行 ^4h 的水溫為 43.8°C ，與實測 52^°C 有 8.2^9C 誤差；運行 9.5h 的水溫為 42.5‰ ，與實測 43^°C 接近；運行 17.5h 的水溫為 41.6⁴C ，與實測 42°C 接近；運行 33.5h 的水溫為 40.9^°C ，與實測42°C 有 1.1^°C 誤差。 ^10h 以后，實測水溫與計算水溫有比較好的一致性，可以認為數值模型具有可靠性。

3井群換熱特性分析

為深人探究地下換熱器的換熱效率，針對典型的井群布置方式進行細致分析，主要關注不同布置方式及布置間距下，井群間距對單井換熱量的影響。

3.1 線狀布置

在線狀布置下，考慮中間埋管受兩側埋管的影響。當埋管間距小于 10m 時，相互之間會有較大的影響；當埋管間距大于 40m 時，相互之間的影響較小。在實際工程中，并群建議線狀布置，同時配套多種熱源耦合供熱，以減少工程投資。

3.2 宮格布置

在宮格布置下，考慮中間埋管受周圍8根埋管的影響。當埋管間距小于 20m 時，相互之間會有較大的影響；當埋管間距大于 40m 時，相互之間的影響較小。

4動態負荷下的換熱特性

4.1地下換熱器動態傳熱計算

采用熱泵提取地下熱量，用于建筑供熱，熱平衡關系為

Q_h=Q_ghe+W_hp

式中： Q_h 為建筑熱負荷， kW 為地下取熱量，kW ； W_hp 為熱泵耗電量， kW ○

建筑熱負荷 Q_h 隨室外氣象條件實時發生變化。為了匹配地上用熱量和地下取熱量，熱源側應為變流量系統，以滿足變負荷取熱要求[3]。

根據熱泵供熱原理，可以得到

式中： COP 為熱泵運行能效比。

用戶側供熱參數已知，則熱泵冷凝器溫度隨之確定。根據熱泵變工況特性，可以得到 COP 與蒸發

器出水溫度的關系[4]。對于地板輻射采暖系統，用戶側供水溫度通常為 50^qC ，回水溫度一般為 40°C ，根據熱泵產品特性，可以得到

COP=f（T_e）

式中： T_e 為熱泵冬季蒸發器出水溫度， °C O

蒸發器出水溫度 T_e 即為地下換熱器進水溫度T_in ，可得

式中： G 為地下換熱器循環流量， m³/h O

4.2 動態運行分析

為了研究不同供熱模式下，地熱井的配比及運行特點隨時間變化的關系，下面主要針對兩種工程中常見的熱井配置方案進行模擬比較。方案一為地熱井滿負荷配比，無輔熱手段。在這種配置模式下，地熱井按最大設計熱負荷配置，在供暖的初期和末期，由于熱負荷減小，存在一定的空置現象。方案二為多能互補供熱方案，即按地熱井承擔 60% 的基礎負荷，其他熱負荷通過輔助燃氣鍋爐、空氣源熱泵、污水源熱泵等其他手段解決。在這種供熱方式下，地熱井的運行工況基本穩定，且在設計周期內長期運行。

4.2.1 無輔熱工況

采用 2800m 深 ?177.80mm×9.19mm 套管式換熱器，內管采用 ?110mm×10 mmPERTⅡ型管，共設置5口地熱井，進行10年運行分析。系統變流量運行，運行流量逐年增加，5年以后流量趨于穩定，井出水溫度逐年降低，5年以后溫度趨于穩定。最高出水溫度為 43‰ ，最低出水溫度為 18^°C 。本項目的熱井 24h 滿負荷運行，在供暖期初期及末期，熱負荷較低，熱井利用效率不高。考慮到地熱井投資占比較高，如不考慮輔熱熱源，會增大項目投資。

4.2.2 多能互補供熱工況

采用“地熱 +^′ 的模式，配套天然氣鍋爐等輔助熱源，實現多熱源聯合供熱。由地熱承擔基礎負荷（按60% 計算），高于基礎負荷的部分由其他熱源承擔[5]。采用多能互補供熱方式后，地熱井減少為3口，運行流量明顯降低，地埋管出水溫度提高到 47°C 以上。本方案的熱井利用效率增加，同時減少了熱井數量，兼顧了項目整體的經濟性。

5結論

通過中深層地熱系統測試分析研究，可初步得到以下結論。第一，地溫分布與地層結構密切相關。在 790m 地層分界處，地溫發生顯著變化。第二，通過井群取熱效能分析，可以看出線狀布置更具經濟性。第三，由于地熱井造價較高，建議采用多能互補供熱方案，以充分利用地熱資源，同時兼顧系統造價。

參考文獻

1劉俊，張育平，王灃浩，等.中深層套管式換熱器可持續供熱性能及優化設計研究[J].地球學報，2023（1）：230-238.

2馬娟，董娟，劉勇，等.緊鄰的雙井中深層套管式地埋管換熱器換熱特性研究[J].可再生能源，2022（12）：1604-1612.

3 狄多浩.中深層地埋套管式換熱器及熱泵供暖系統應用分析[J].綠色科技，2023（14）：259-265.

4韓永亮，王凱鵬，王義杰，等.中深層地熱井換熱特性多因素影響規律研究[J].煤田地質與勘探，2024（1）：104-116.

5 王建輝，劉自強，焦敏，等.同軸套管換熱器井下換熱性能實驗研究[J].河北省科學院學報，2024（1）：58-64.