西安市某地?zé)嵩囼?yàn)項(xiàng)目U型深埋管換熱研究

龍安杰 熊文學(xué) 盧雄 寇楓

摘要：通過建立數(shù)學(xué)物理模型，利用移動有限長線熱源模型同心套管式地埋管的取熱量影響因素進(jìn)行了分析，并對恢復(fù)期間地溫場的變化進(jìn)行計(jì)算。

關(guān)鍵詞：U型深埋管;取熱量;換熱規(guī)律

本試驗(yàn)采用的是中深層地埋管“取熱不取水”技術(shù)，通過利用鉆井技術(shù)向地下中深層巖層鉆井，下入高效換熱管，將低溫流體介質(zhì)注入到取熱管（井）中，把地層深處的地?zé)崮軅鬟f給管內(nèi)低溫流體使之升溫，管內(nèi)與管外流體只存在熱交換而不存在質(zhì)交換。利用此技術(shù)，可以避免開采地下熱水，防止地下水資源浪費(fèi)與隨意排放，不產(chǎn)生污染物，是資源可持續(xù)利用的有效途徑。

1 取熱井熱力計(jì)算模型

對于中深層地?zé)崮荛_發(fā)，通常埋管所處的巖層結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)、溫度場為非均勻分布，不能像淺層土壤源熱泵埋管換熱那樣被簡化為一維問題。為此，數(shù)值模擬計(jì)算采用移動有限長線熱源模型對井下?lián)Q熱器展開計(jì)算，具體模型設(shè)置與計(jì)算方法如下。

2.深埋管取熱量計(jì)算結(jié)果與分析

通過建立數(shù)學(xué)物理模型，利用先進(jìn)的移動有限長線熱源模型對地埋管的換熱量與地溫場的改變進(jìn)行計(jì)算。

2.1U型水平對接管計(jì)算結(jié)果

采用試驗(yàn)井的測井溫度數(shù)據(jù)，對井深2500 m U型水平對接管進(jìn)行模擬計(jì)算。

（1）地?zé)峋崃侩S工作時(shí)間變化情況

計(jì)算結(jié)果表明，隨著工作時(shí)間的推移，地?zé)峋娜崃砍尸F(xiàn)下降趨勢。從圖2-1、圖2-2則可以看出，在滿負(fù)荷工作初期，地?zé)峋娜崃看蟮陆邓俣瓤?，而到工作中、后期其取熱量變小且變化速度趨于平緩。因此，為了能更客觀地表現(xiàn)地?zé)峋娜崮芰?，我們選擇地?zé)峋崃孔兓市∮?.5%時(shí)的計(jì)算值作為地?zé)峋崮芰Φ脑u價(jià)依據(jù)，并以此值進(jìn)行相關(guān)方案的設(shè)計(jì)。

（2）不同工況下地?zé)峋畵Q熱計(jì)算結(jié)果

圖2-3～2-4分別給出了不同工質(zhì)流量/入口水溫下，U型水平對接管出口水溫和換熱功率與入口水溫/工質(zhì)流量的關(guān)系圖。從圖中可以看到，在工質(zhì)流量一定的情況下，U型水平對接管的出口水溫隨入口水溫的增大而近乎線性增加，換熱功率卻隨入口水溫的增大而近乎線性減小。當(dāng)入口水溫一定時(shí)，隨工質(zhì)流量的增加，U型水平對接管的出口水溫將減小，且減小速率降低;U型水平對接管的換熱功率則隨之而增大，但其增大速率降低。

由于中深層埋管內(nèi)水的溫度變化較小，密度變化可忽略不計(jì)，因此由于重力影響導(dǎo)致的沿程損失可以忽略。

（3）停止供暖后地溫恢復(fù)分析

通過建立中深層地?zé)崮軒r石三維傳熱數(shù)值模型，分析了一個(gè)取暖季停止供暖后，地下緊鄰水泥環(huán)的地層溫度隨著時(shí)間變化規(guī)律。如圖2-7是地下2500m深處緊鄰水泥環(huán)的地層溫度隨著時(shí)間變化圖。結(jié)果表明，經(jīng)過一個(gè)取暖季后，緊鄰水泥環(huán)的地層溫度初始恢復(fù)快，后期恢復(fù)慢。運(yùn)行一年后，2500米深處地層溫度由供熱季結(jié)束時(shí)的30.23℃升溫恢復(fù)到76.1℃，相對于初始地溫狀態(tài)81℃，大約下降4.9 ℃，地溫的恢復(fù)率為92.2%。而除下降管2500米深處之外，地溫的恢復(fù)率均大于97%。

（4）地層導(dǎo)熱系數(shù)對地?zé)峋畵Q熱效果的影響

根據(jù)關(guān)中盆地共獲得的實(shí)測巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，由淺到深熱導(dǎo)率始終在1.5-2.4 W/（m?K）之間，且砂巖、泥巖熱導(dǎo)率相差不大。故此，在測得的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，我們對不同地層導(dǎo)熱系數(shù)（即巖石熱導(dǎo)率）下，入口水溫15℃、工質(zhì)流量為40 m/h時(shí)U型水平對接管的換熱情況進(jìn)行了模擬計(jì)算。

由于欠缺本項(xiàng)目鉆井地區(qū)地層實(shí)際的熱導(dǎo)率值，在計(jì)算中，均采用平均值2.294 W/（m·K）作為地層導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行。

（5）U型井水平段換熱效果分析

當(dāng)水平段長度增加1000 m后，工作121天時(shí)，其出口水溫較之為增加長度前的高2.7℃，總換熱功率較增加長度前的大0.125 MW，而水平段對總換熱功率的貢獻(xiàn)也由16%增長至與下降段接近的35%。可見，只要水平段出口流體溫度低于地層溫度，有效增加水平段的換熱面積確實(shí)對提高U型水平對接管的取熱能力有較大幫助。