地?zé)釋泳c地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)的耦合探討

韓 云，孫春輝，翟曉瑩，岳黨教，趙 楊

（西安陜鼓動力股份有限公司，陜西 西安 710075）

隨著各地區(qū)環(huán)保節(jié)能的壓力越來越大，陸續(xù)出現(xiàn)了多種供熱技術(shù)，而中深層地?zé)峒夹g(shù)無疑是眾多技術(shù)當(dāng)中發(fā)展最快、節(jié)能最有效的技術(shù)。特別是中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局發(fā)出“取熱不取水”技術(shù)成果以后，徹底解決了多年以來由于開采地下水難以回灌帶來的水位下降的頑疾，又為此項技術(shù)提供了新的發(fā)展動力和方向。為了解決每口地?zé)峋崃科偷膯栴}，近年來又出現(xiàn)了U型地?zé)釋泳夹g(shù)。而為了解決每口地?zé)峋髁渴芟迒栴}，結(jié)合現(xiàn)有熱泵技術(shù)的改進和改造，中深層地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)也得到了廣泛的普及。

1 U型地?zé)釋泳夹g(shù)

近些年來，陜西部分專業(yè)地?zé)峁驹诘責(zé)衢_發(fā)中做出了不可磨滅的貢獻，也取得了很大的經(jīng)濟和節(jié)能減排效益，但是換熱直井由于經(jīng)濟和技術(shù)所限，目前也存在套管的尺寸不能太大、換熱管管徑受限、熱交換的水量較小等問題。陜煤地質(zhì)集團公司改變了直井取熱的方式，將直井與水平工程井進行對接，形成U型地?zé)釋泳ㄒ妶D1）。這項技術(shù)不但大幅度增加了地下?lián)Q熱器的換熱面積，還顯著減少了打井?dāng)?shù)量，其社會效益尤為顯著。

圖1 U型對接井結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)直井（套管式）相比，U型對接井主要有如下特點：

（1）通過在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器（地下?lián)Q熱器采用耐高壓、耐腐蝕、耐高溫的特種鋼材制造），并在內(nèi)充滿換熱介質(zhì)，能夠通過換熱器傳導(dǎo)將地下深處的熱能導(dǎo)出，并通過專用設(shè)備系統(tǒng)向地面建筑物供熱。

（2）U型對接井包括直井段、對接井及水平段，水平段增大了地下?lián)Q熱面積，從而保證建筑的熱需求。井口大小同套筒型地?zé)峋?，井的口徑約為200mm。

（3）由于存在轉(zhuǎn)彎半徑的問題，兩井距離1km較佳，最小距離為200m，這為該技術(shù)在大面積、大項目的使用上提供了極大的可能性。從200m到數(shù)公里長的地下?lián)Q熱器下，能夠有效保證換熱效果，同時降低熱衰減的發(fā)生可能性。

（4）該技術(shù)具有熱源溫度更高（地下2000m以下干熱巖巖體熱源可達80℃）且恒定，單個換熱井具備換熱面積大、運行成本低、節(jié)能環(huán)保性強等特點，可大規(guī)模用于商業(yè)建筑、民用住宅、政府學(xué)校等建筑，也可用于園區(qū)和區(qū)域供熱規(guī)劃。

（5）U型對接井的造價為兩口套筒型井的造價之和略多一些，但綜合性價比較高。

2 中深層地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)

中深層地?zé)峁┡夹g(shù)是指鉆機向地下一定深處高溫?zé)醿鱼@孔，在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器（地下?lián)Q熱器采用耐高壓、耐腐蝕、耐高溫的特種鋼材制造），在內(nèi)充滿換熱介質(zhì)，通過換熱器傳導(dǎo)將地下深處的熱能導(dǎo)出，并通過專用設(shè)備系統(tǒng)向地面建筑物供熱的新技術(shù)。

但是，由于受到地?zé)峋墓軓胶偷叵聯(lián)Q熱器面積限制，地?zé)峋诹髁亢蜏亟瞪贤瑯邮艿搅撕艽蟮南拗?。目前比較多的廠家采用的直井流量約為120m3/h，而單臺熱泵機組本身蒸發(fā)器不可能做得巨大，一般單臺非定制熱泵源側(cè)的水溫差做到10℃是比較理想的狀態(tài)，但帶來的問題是單位流量的熱源側(cè)熱量沒有得到充分的利用。鑒于該現(xiàn)狀，中深層地?zé)岬纳疃壤眉夹g(shù)應(yīng)運而生。地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)是將地?zé)崴疅崃坎扇⌒夭疃啻翁崛。畲蟪潭壬汐@取地?zé)崮芰?，最終以較低的溫度進入井側(cè)換熱。對于取水型地?zé)岬睦?，國?nèi)已采用低溫回灌的地?zé)崴菁壚眉夹g(shù)，該技術(shù)在實際項目中也得到了普遍應(yīng)用。但為了區(qū)別，此次將地下?lián)Q熱器地?zé)崂靡虿捎玫蜏鼗厮姆绞浇凶鳌暗責(zé)嵘疃壤眉夹g(shù)”。目前大多數(shù)工程對地?zé)岬睦萌匀徊扇〉蜏夭钚问?，造成了很大的資源浪費。

地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)是用多級熱泵機組多次利用地?zé)?，一般設(shè)一級為離心高溫?zé)岜脵C組，二級為螺桿熱泵機組。該技術(shù)系統(tǒng)可深度利用地?zé)崮?，地?zé)崴┗厮疁囟葹?～45℃，供回水溫差至少40℃，可將地?zé)釒蟻淼臒崃坑帽M。一方面，大溫差可降低地?zé)醾?cè)水流量需求，也可大幅度降低地?zé)醾?cè)的輸配能耗；另一方面，大溫差可提高地下?lián)Q熱器的換熱效率，一舉兩得。另外，一級供熱熱泵可采用高溫型，供老舊小區(qū)采暖系統(tǒng)，其他可供空調(diào)采暖和地輻等低溫用熱系統(tǒng)。

3 U型地?zé)釋泳夹g(shù)和地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)的耦合

3.1 U型對接井的實用性

U型對接井主要的技術(shù)革新點在于大幅度增加了地下?lián)Q熱器的面積，但與此同時，U型井兩井間的距離少則200m，多則幾千米，同時也導(dǎo)致?lián)Q熱器的阻力成倍增加。目前，對接井技術(shù)還處于推廣階段，仍未進入“量產(chǎn)”階段，因此其造價相對高昂，井?dāng)?shù)過多也非一般業(yè)主所能承受，其實用性不佳。U型對接井要在技術(shù)和管理上更上一個臺階，降低成本，才能夠真正意義上提高其實用性，才能“接地氣”。

3.2 多級熱泵機組的實用性

由于取水回灌型地?zé)嵯到y(tǒng)的梯級利用技術(shù)已比較成熟和普及，雖然“取熱不取水”套管型地?zé)崂迷跓嵩此焚|(zhì)上相對較低，但對熱泵來說卻有很大的適應(yīng)性。高溫水進入蒸發(fā)器引起壓縮系統(tǒng)超壓報警的概率會顯著降低，在地?zé)崴纳疃壤梅矫嬗懈叩膶嵱眯?。多級熱泵機組對中深層地?zé)岬纳疃壤蒙线€需要有更好的控制邏輯，以提高各類熱泵機組在不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的適應(yīng)性。

3.3 U型對接井+多級熱泵地?zé)嵘疃壤玫膶嵱眯?/h3>

中深層地?zé)嵘疃壤玫臈l件在于有源源不斷的源側(cè)熱能提供給熱泵機組，而U型對接井的“超級”地下?lián)Q熱器就為地?zé)崮艿纳疃壤锰峁┝颂烊豢煽俊o縫耦合的條件。

中深層地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)在系統(tǒng)控制上較為復(fù)雜，集成后的流程系統(tǒng)見圖2。需要注意的是，雖然U型對接井可以顯著減少用戶打井?dāng)?shù)量，但因為井道半徑和長距離換熱通道的需要，該方案比較適用于區(qū)域供熱、園區(qū)以及大型小區(qū)等大項目供熱，其規(guī)模對其普及性有一定的影響，但就技術(shù)本身而言，可以為用戶提供可靠的供熱技術(shù)保障。

4 結(jié)束語

圖2 U型對接井與地?zé)嵘疃壤眉夹g(shù)耦合流程圖

在套管型中深層地?zé)嵘疃壤玫某墒旎A(chǔ)之上，文章建議采用更為可靠的U型對接井+多級熱泵地?zé)嵘疃壤玫膹?fù)合技術(shù)，這樣可有效避免熱平衡問題，也可以顯著降低中深層地?zé)嵯到y(tǒng)供熱的運行成本，這也是未來供熱的一個重中之重的發(fā)展方向。