基于TRNSYS的中深層地?zé)峁┡到y(tǒng)運(yùn)行特性研究

景登巖，施志鋼，劉福強(qiáng)，董作敏，王 培

（1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青島幸福源熱力有限公司，山東 青島 266033）

0 引言

地?zé)崮芫哂袃α看蟆⒎植紡V、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的開發(fā)潛力。隨著大氣污染嚴(yán)重，霧霾治理問題日益突出，淺層地?zé)崮荛_發(fā)又具有一定的局限性，因此，中深層地?zé)崮荛_發(fā)得到了廣泛的關(guān)注。目前國際上主流發(fā)展技術(shù)（Enhanced Geothermal Systems，EGS）即增強(qiáng)型或工程型地?zé)嵯到y(tǒng)技術(shù)[1]，[2]。這種技術(shù)通過水力壓裂等手段，在兩口或多口地?zé)峋g形成連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，再通過工質(zhì)在地下巖體中循環(huán)流動(dòng)，持續(xù)開采地?zé)崮堋Ｄ壳?，EGS技術(shù)還存在地下巖石難于有效壓裂、井下連通困難、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、工質(zhì)損失嚴(yán)重和投資過高等問題[3]～[5]。另一種方案是采用閉式套管式換熱器單井取熱的方式，這種方式通過在井內(nèi)下放同軸套管，利用流體介質(zhì)吸收高溫巖體的熱量。這種開采方式依靠單相工質(zhì)循環(huán)取熱，技術(shù)簡單、投資小，逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

Sliwa T分析了將廢棄井改造成套管式換熱器的可能性[6]。Dai C對套管式換熱器進(jìn)行了熱量提取實(shí)驗(yàn)，并分析了系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對熱量交換的影響[7]。Pan A通過模型研究了水流方向、管道的導(dǎo)熱系數(shù)、管道半徑、質(zhì)量流量等對中深層地埋管換熱器換熱性能的影響[8]。此外，有較多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法研究套管換熱器的傳熱性能[9]～[13]。

本文依托實(shí)際工程，在實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，采用TRNSYS建立中深層套管式換熱器模型，分析不同影響因素對地?zé)崮芄嵯到y(tǒng)運(yùn)行的影響，給出中深層套管式地埋管換熱器的延米取熱功率，為中深層地?zé)釤岜孟到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

本研究基于青島市某中深層套管式地埋管換熱供暖實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行測試數(shù)據(jù)，項(xiàng)目位于膠州市某小區(qū)，采用中深層套管式地埋管供熱系統(tǒng)進(jìn)行供暖。熱源井位于膠東半島平原地帶（東經(jīng)120°07′33″～120°11′38″，北緯36°18′18″～36°22′47″）。熱儲為斷裂構(gòu)造控制形成的帶狀熱儲，地下斷裂巖漿活動(dòng)較頻繁。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)兩種供暖模式，一種是地?zé)峋惫┠Ｊ?，另一種是地?zé)峋疅岜脫Q熱供暖模式，其工作原理圖如圖1所示。采用地?zé)峋惫┠Ｊ綍r(shí)，開啟閥門1，3，5，載熱介質(zhì)通過套管式換熱器換熱之后直接供給用戶；采用地?zé)峋疅岜脫Q熱供暖模式時(shí)，關(guān)閉閥門1，3，5，開啟閥門2，4，載熱介質(zhì)經(jīng)套管式換熱器換熱后進(jìn)入土壤源熱泵機(jī)組換熱再供給用戶。該供暖系統(tǒng)初次投入使用時(shí)，最大供暖面積為8 900 m2，系統(tǒng)運(yùn)行期間采用一臺熱泵機(jī)組。

圖1 中深層套管式換熱器地源熱泵系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of the middle-deep borehole heat exchanger ground source heat pump system

該區(qū)域共打地?zé)釗Q熱器鉆井5口，最大井深1 960 m，最小井深1 580 m，下放套管式換熱器進(jìn)行取熱。套管換熱器外管采用石油N95套管，材質(zhì)是鋼，內(nèi)管采用的是PE-RTⅡ型，具體幾何參數(shù)和熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 中深層套管式地埋管換熱器參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the middle-deep borehole heat exchanger

機(jī)房內(nèi)的主要設(shè)備包括水-水熱泵機(jī)組、用戶側(cè)水泵、源側(cè)水泵。系統(tǒng)設(shè)備具體參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)設(shè)備Table 2 System equipment

為檢測系統(tǒng)運(yùn)行特性，設(shè)置一套測試系統(tǒng)，包括超聲波熱量表、溫度計(jì)、壓力表等，數(shù)據(jù)采樣周期為1 h，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)郊姓{(diào)度管理平臺。

2 仿真模型

2.1 TRNSYS系統(tǒng)仿真模型

基于TRNSYS建立的系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。模型中主要包括的模塊有套管式換熱器（Type557d）、變頻水泵（Type110）、負(fù)荷轉(zhuǎn)換模塊（Type682）、負(fù)荷讀取模塊（Type14）、時(shí)間控制模塊（Type515）、輸出模塊（Type65）、天氣文件讀取模塊（Type15）、熱泵機(jī)組模塊（Type216）。

圖2 中深層地埋管換熱仿真模擬系統(tǒng)Fig.2 Simulation system of the middle-deep borehole heat exchanger

2.2 換熱器模型

中深層套管式地埋管換熱器采用Duct Ground Heat Storage（DST）模型，該模型是中心對稱有限長圓柱模型，利用疊加原理獲得土壤的溫度分布[14]。即將全局傳熱、局部傳熱和穩(wěn)態(tài)傳熱得到的各點(diǎn)土壤溫度進(jìn)行疊加。

對于全局傳熱問題的控制方程為

式中：Cf為流體比熱容，J/（kg·℃）；qf為流體流量，kg/h；Tf（s，t）為流體溫度，℃；α為流體與土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·℃）；Ta為周圍土壤的溫度，℃；下標(biāo)p表示單位管長；下標(biāo)v表示單位蓄熱體。

蓄熱體中地埋管流體出口溫度Tf，out為

在模型中，物性參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行設(shè)定，如表3。在鉆探地?zé)峋畷r(shí)，每隔100 m測量巖土溫度，獲得地溫分布，作為模型的初始溫度。1#井和2#井的溫度分布如圖3所示，可知在該區(qū)域，巖土溫度基本隨鉆井深度呈線性增加。其中1#井平均溫度梯度0.028℃/m，井深1 580 m，井底溫度為65℃；2#井平均溫度梯度為0.024℃/m，井深1 960 m，井底溫度達(dá)到75.6℃。取兩口井的溫度梯度平均值作為模型的初始溫度分布。

表3 土壤物性參數(shù)Table 3 Soil physical properties parameters

圖3 溫度隨井深變化情況Fig.3 Temperature varies with well depth

2.3 熱泵模型

水源熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)COP計(jì)算式為

式中：T1，in，T1，out分別為熱泵冷凝器側(cè)載熱介質(zhì)進(jìn)、出口溫度，℃；ml為熱泵冷凝器側(cè)載熱介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；cpl為熱泵冷凝器側(cè)載熱介質(zhì)的比熱容，J/（kg·℃）。

2.4 水泵模型

由于實(shí)際工程中使用的是變速泵，因此本模擬研究選用的是type110模塊，其中該模塊主要的輸入?yún)?shù)包括質(zhì)量流量、流體比熱容、功率等。

水泵的數(shù)學(xué)模型為

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

對于直供模式，選擇11月10-12日換熱器側(cè)進(jìn)出口溫度模擬值與實(shí)測值進(jìn)行對比；對于熱泵換熱模式，選擇熱泵開啟后的前3 d（12月4-6日）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果見圖4，5。由圖4可知，在運(yùn)行初始階段，系統(tǒng)為直供模式，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差較大，其主要原因：①正式運(yùn)行前，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試，地下巖土的溫度與原始溫度有些偏離，且很難恢復(fù)到原始的狀態(tài)；②模擬時(shí)，按照兩口井的平均溫度梯度確定土壤的初始溫度分布，這與實(shí)際存在差異；③對于真實(shí)地層，由于其非均質(zhì)性，在熱物性參數(shù)的分布上可能存在著差異。運(yùn)行10 h后模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好，15 h后，兩者高度吻合。系統(tǒng)直供時(shí)，出口溫度最大相對誤差為3.94%，平均相對誤差0.89%，進(jìn)口溫度最大相對誤差為4.31%，平均相對誤差為0.85%。同理，系統(tǒng)采用熱泵換熱時(shí)，源側(cè)進(jìn)出口最大相對誤差分別為2.48%，1.53%，平均相對誤差分別為0.87%，0.87%。從而驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性。

圖4 直供時(shí)模擬與實(shí)測溫度變化及相對誤差Fig.4 Temperature variation and relative error between simulated and measured in direct supply

圖5 換熱時(shí)模擬與實(shí)測溫度變化及相對誤差Fig.5 Temperature variation and relative error between simulated and measured during heat transfer

3.2 運(yùn)行特性分析

系統(tǒng)運(yùn)行特性受諸多因素影響，選取地溫梯度、巖土導(dǎo)熱系數(shù)、延米取熱功率3個(gè)主要影響因素進(jìn)行模擬分析。影響因素計(jì)算參數(shù)如表4。模擬時(shí)，設(shè)定取熱井井深1 600 m，供暖面積1×104m2，根據(jù)青島市供熱條例，供暖季為每年11月10日-次年4月5日，對比分析不同條件下連續(xù)運(yùn)行30 a進(jìn)出口溫度與土壤平均溫度變化趨勢。

表4 影響因素計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of influencing factors

3.2.1 不同地溫梯度的影響℃左右，而進(jìn)口最低溫度已經(jīng)接近0℃，此時(shí)會造成熱泵機(jī)組能效降低，甚至?xí)C(jī)保護(hù)。圖7為30 a后不同地溫梯度下溫度對比。當(dāng)?shù)販靥荻扔?.01℃/m增大到0.04℃/m，30 a后源側(cè)出口溫度分別為3.25，10.6，18.14，25.87℃；進(jìn)口溫度分別為-1.91，5.3，12.74，20.4℃。土壤平均溫度為17.79，25.56，33.41，41.33℃。進(jìn)出口溫度和土壤平均溫度隨地溫梯度的增大而增大，當(dāng)?shù)販靥荻容^小，出口溫度較低，系統(tǒng)無法長期正常運(yùn)行，且系統(tǒng)能耗較大。

圖7 30 a后不同地溫梯度下溫度對比Fig.7 Temperature comparison under different geothermal gradients after 30 years

圖6為不同地溫梯度下，溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況。由圖6可知，隨著運(yùn)行時(shí)間年限延長，換熱器從巖土吸收熱量，換熱器進(jìn)出口溫度和土壤平均溫度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，在開始的5 a內(nèi)，進(jìn)出口溫度和土壤平均溫度下降較快，以進(jìn)口溫度為例，分別降低2.67，2.78，2.87，2.93℃。5 a后，溫度下降趨于平緩。這是由于熱開采與熱恢復(fù)趨于平衡。由圖6（a）可知，當(dāng)?shù)販靥荻葹?.01℃/m時(shí)，在運(yùn)行的約第5 a，系統(tǒng)出口最低溫度為6

圖6 不同地溫梯度下溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況Fig.6 Temperature changes with running time under different geothermal gradients

3.2.2 不同巖土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖8為不同巖土導(dǎo)熱系數(shù)下，溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況。在前5 a，溫度降低較快，以出口溫度為例，分別降低3.38，3.15，3，2.89℃。隨著運(yùn)行年限的增長，溫降趨于平緩。巖土導(dǎo)熱系數(shù)越大，換熱井的進(jìn)出口溫度越高，經(jīng)過30 a的運(yùn)行后系統(tǒng)仍可以保持較高的能效（圖9）。由圖9可知，當(dāng)巖土導(dǎo)熱系數(shù)從2 W/（m·℃）增大到5 W/（m·℃）時(shí)，30 a后，出口溫度分別為-4.88，5.46，11.36，15.12℃；進(jìn)口溫度分別為-9.83，-0.25，6.04，9.75℃；土壤平均溫度分別為29.9，30.18，30.38，30.52℃。進(jìn)出口溫度隨著巖土導(dǎo)熱系數(shù)的增大而緩慢增大。其原因是導(dǎo)熱系數(shù)越大，經(jīng)深層換熱后的流體流經(jīng)淺層時(shí)，越易造成熱量損失，為避免熱損失現(xiàn)象的發(fā)生，換熱器應(yīng)采取保溫措施。

圖8 不同巖土導(dǎo)熱系數(shù)下溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況Fig.8 Temperature changes with running time under different thermal conductivity of soil

圖9 30 a后不同巖土導(dǎo)熱系數(shù)下溫度對比Fig.9 Temperature comparison under different thermal conductivity of rock and soil after 30 years

3.2.3 不同延米取熱功率的影響

圖10為不同延米取熱功率下溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況。由圖10可知，隨著延米取熱功率增大，進(jìn)出口溫度與土壤溫度波動(dòng)幅度呈現(xiàn)增大趨勢。當(dāng)延米取熱功率為50 W/m時(shí)，在每個(gè)采暖季，熱開采與熱恢復(fù)會達(dá)到平衡，15 a內(nèi)出口溫度降低2.57℃；當(dāng)延米取熱功率分別為100 W/m和150 W/m時(shí)，熱開采與熱恢復(fù)達(dá)到平衡所需時(shí)間分別為12.5，15 a，出口溫度分別降低4.44℃，7.06℃；當(dāng)延米取熱功率為200 W/m時(shí)，在運(yùn)行的大約第10 a，進(jìn)口溫度已接近0℃，不能滿足系統(tǒng)長期供暖。30 a后不同取熱功率下的溫度如圖11所示，當(dāng)延米取熱功率從50 W/m增加到150 W/m時(shí)，30 a后，出口溫度分別為32.3，23.03，13.97，4.74℃；進(jìn)口溫度分別為27.59，18.36，9.39，0.11℃；土壤平均溫度分別為36.52，32.84，29.31，25.72℃。進(jìn)出口溫度與土壤平均溫度隨著取熱功率的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。因此，延米取熱功率在200 W/m以下，取熱功率越小，熱開采與熱恢復(fù)達(dá)到平衡所需時(shí)間越短。

圖10 不同延米取熱功率下溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況Fig.10 Temperature changes with running time under different the specific heat extraction rate

圖11 30 a后不同取熱功率下溫度對比Fig.11 Temperature comparison at different the specific heat extraction rate after 30 years

3.2.4 不同運(yùn)行時(shí)間比的影響

定義運(yùn)行時(shí)間比δ為運(yùn)行時(shí)間與一天24 h的比值。例如，系統(tǒng)運(yùn)行8 h，則運(yùn)行時(shí)間比為1/3。模擬時(shí)，考慮δ為1/3，5/12，1/2。圖12為不同溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況。由圖12可知，隨著取熱功率的增大，溫度呈現(xiàn)降低趨勢，進(jìn)出口溫度變化幅度和熱恢復(fù)所需時(shí)間呈現(xiàn)增大趨勢。并且δ為1/3，5/12，1/2時(shí)，延米取熱功率分別不大于350，300，250 W/m，所以，間歇供暖可提高單井延米取熱功率。對不同δ下的溫度變化進(jìn)行分析，以取熱功率為250 W/m為例，如圖13所示。由圖13知，δ從1/3增大到1/2時(shí)，30 a后出口溫度分別為16.15，12.08，8.28℃； 進(jìn)口溫度分別為11.21，7.2，3.46℃；土壤平均溫度分別為29.69，27.15，24.67℃。因此，與持續(xù)運(yùn)行取熱相比，δ越低，在同樣的取熱功率下，土壤溫度越高，意味著巖土有較長的時(shí)間恢復(fù)，傳熱性能較好?？紤]到間歇運(yùn)行工況的熱恢復(fù)，地?zé)峋脑O(shè)計(jì)取熱功率應(yīng)考慮每天的δ。

圖12 不同運(yùn)行時(shí)間比下溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化情況Fig.12 Temperature changes with running time under different running time ratios

圖13 q=250 W/m時(shí)30 a后不同運(yùn)行時(shí)間比下溫度對比Fig.13 Temperature comparison at different running time ratios after 30 years when q=250 W/m

4 結(jié)論

為了研究中深層地?zé)峁┡到y(tǒng)運(yùn)行特性，本文結(jié)合膠州地區(qū)中深層套管式換熱供暖系統(tǒng)實(shí)際工程，基于TRNSYS建立中深層地埋管換熱系統(tǒng)仿真模型，并利用模型進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果研究了地溫梯度、巖土導(dǎo)熱系數(shù)、延米取熱功率及不同時(shí)間運(yùn)行比對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。分析結(jié)果如下。

①地溫梯度較小，取熱井深度一定時(shí)，出口溫度較低，系統(tǒng)無法長期正常運(yùn)行，且系統(tǒng)能耗較大，當(dāng)溫度梯度越大，進(jìn)出口溫度與土壤溫度越高，越有利于提高取熱井使用壽命。

②進(jìn)出口溫度隨著巖土導(dǎo)熱系數(shù)的增大而緩慢增大，這是由于導(dǎo)熱系數(shù)越大，經(jīng)深層換熱后介質(zhì)的溫度高于淺層周圍土壤的溫度，造成熱量損失。為避免熱損失現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)對換熱器采取一定長度的保溫措施。

③持續(xù)運(yùn)行采暖隨著延米取熱功率增大，進(jìn)出口溫度與土壤溫度波動(dòng)幅度呈現(xiàn)增大趨勢，進(jìn)出口溫度與土壤溫度越低，越不利于土壤的熱恢復(fù)。并且延米取熱功率不應(yīng)大于150 W/m，取熱功率越小，熱開采與熱恢復(fù)達(dá)到平衡所需時(shí)間越短。

④在供暖季，與持續(xù)運(yùn)行取熱相比，運(yùn)行時(shí)間比越低，在同樣的取熱功率下，土壤的溫度越高，意味著巖土有較長的時(shí)間恢復(fù)，傳熱性能較好。隨著取熱功率的增大，溫度呈現(xiàn)降低趨勢?？紤]到間歇運(yùn)行工況的熱恢復(fù)，地?zé)峋脑O(shè)計(jì)取熱強(qiáng)度應(yīng)考慮每天的運(yùn)行時(shí)間比。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間比分別為1/3，5/12，1/2時(shí)，延米取熱功率不應(yīng)大于350，300，250 W/m。