嚴寒地區(qū)中深層地埋管換熱影響因素及可持續(xù)性研究

摘 要：利用OpenGeoSys（OGS）軟件，采用雙連續(xù)體介質(zhì)方法并結(jié)合實際工程資料，建立中深層地埋管換熱數(shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，研究中深層地埋管換熱技術(shù)在中國北方嚴寒地區(qū)的換熱性能及其適用性，同時對其換熱影響因素及可持續(xù)性進行研究。研究結(jié)果表明：在中國北方嚴寒地區(qū)，中深層地埋管換熱技術(shù)換熱性能較好，具有良好的適用性及可持續(xù)性。通過將地埋管布置在優(yōu)質(zhì)地熱區(qū)域，同時增大循環(huán)水流量、增加地埋管深度、選擇較大內(nèi)管導熱系數(shù)及回填材料導熱系數(shù)等方式可提高地埋管換熱功率；較高的循環(huán)水進水溫度、較大的內(nèi)外管徑比及內(nèi)管導熱系數(shù)則會減弱換熱效果。

關(guān)鍵詞：地熱能；換熱性能；數(shù)值模擬；嚴寒地區(qū)；可持續(xù)性

中圖分類號：P314" " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

地熱能作為一種清潔、可再生能源，在提倡低碳減排的今天，其開發(fā)利用越來越受到關(guān)注［1］。中深層地埋管換熱技術(shù)作為一種提取地熱能的新技術(shù)，具有取熱不取水、單井換熱功率大及地質(zhì)環(huán)境影響小等優(yōu)點［2］，同時在季節(jié)性蓄熱方面也有獨特優(yōu)勢［3］。因此，越來越多的學者關(guān)注于其研究，而其核心和難點在于地埋管換熱器的傳熱性能［4］。

為研究地埋管換熱器傳熱過程，部分學者建立了地埋管換熱器解析解模型，主要包括線熱源模型［5］及圓柱面熱源模型［6］。解析模型假定地下巖土體均質(zhì)各向同性且無地溫梯度，在淺層地埋管換熱中較符合實際，但在中深層地埋管換熱中誤差較大。為使模型更加精確，Beier等［7］提出考慮垂直溫度分布的瞬態(tài)解析解模型，該模型能夠計算地埋管換熱器內(nèi)部管道及周邊土壤溫度的瞬態(tài)變化，但需假定換熱功率恒定，應用存在局限性。除上述解析解模型之外，多數(shù)學者采用數(shù)值模擬的方法研究地埋管換熱器的傳熱過程。對于中深層地埋管換熱器數(shù)值模擬，一般可采用有限差分法［8］、有限體積法［9］和有限元法［10］。在數(shù)值模擬過程中，有部分學者采用雙連續(xù)體介質(zhì)法研究中深層地埋管換熱器的傳熱性能。雙連續(xù)體介質(zhì)法屬于有限元模型的一種，與傳統(tǒng)的有限元數(shù)值求解方法相比具有明顯優(yōu)勢，能有效降低數(shù)值計算強度［11］。孔彥龍等［12］對Beier解析法和雙連續(xù)體介質(zhì)法進行了對比分析，得出中深層地熱井延米換熱功率上限值為150 W/m。黃奕斌等［13］結(jié)合現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬兩種方法，研究了管徑、灌漿、管長等因素對換熱器換熱性能的影響，但其模擬運行時間較短，模擬周期僅60 d，與嚴寒地區(qū)實際供暖時間差距較大。文獻［14］利用OpenGeoSys（OGS）軟件，將深孔換熱器數(shù)值模型與熱泵進行了集成，但其長期模擬采用恒定取熱功率，與實際情況存在差別。

綜上所述，由于缺乏詳細的現(xiàn)場實測資料，以往研究中存在模型參數(shù)取值偏離實際、模擬運行時間不足及邊界條件設(shè)置與實際情況不符等問題，導致研究結(jié)果應用性有待提高。本文利用OGS軟件，采用雙連續(xù)體介質(zhì)法構(gòu)建中深層地埋管換熱器換熱模型。該方法能實現(xiàn)定溫度邊界條件，而非定取熱功率邊界條件，更符合實際工程中僅知道注水端流體溫度的情況。同時，模型參數(shù)設(shè)置參考某中深層地埋管換熱工程實際資料。在此基礎(chǔ)上，研究中深層地埋管換熱技術(shù)在中國北方嚴寒地區(qū)完整供暖期的換熱性能及其適用性，并設(shè)計一系列運行工況，以研究進口流量、進口水溫、巖土導熱系數(shù)、回填材料導熱系數(shù)、地溫梯度、地埋管深度、管徑、內(nèi)外管導熱系數(shù)等多種因素對中深層地埋管換熱器換熱性能的影響。最后，利用上述研究成果，選擇最優(yōu)組合參數(shù)，對嚴寒地區(qū)中深層地埋管換熱器長期運行的可持續(xù)性進行研究。

1 數(shù)值模型建立

1.1 概念模型

中深層地埋管換熱技術(shù)是一種通過循環(huán)水流在垂直埋管中循環(huán)流動來與地下巖土體進行熱交換，從而將地下巖土體的熱量帶到地面用于供暖的地熱能開采技術(shù)。該技術(shù)與淺層地埋管換熱技術(shù)的區(qū)別在于中深層地埋管一般采用套管式垂直地埋管而非傳統(tǒng)的U型地埋管?？紤]到換熱效率，一般循環(huán)水流的流動方式是外進內(nèi)出［15］，即循環(huán)水流從套管外管注入，在循環(huán)水流下降的過程中與周圍巖土體進行熱交換，水流被逐步加熱，在套管最底部水溫被加熱到最高，然后在循環(huán)水泵的作用下，從套管內(nèi)管向上抽出。中深層地埋管換熱技術(shù)換熱過程如圖1所示，其中[Ti、To]和[Tg]分別代表流入流體、流出流體和回填灌漿的溫度。

1.2 數(shù)學模型

在OGS軟件中，中深層地埋管換熱器模型基于雙連續(xù)體介質(zhì)法。該方法在模擬中深層地埋管換熱器的傳熱過程時，將周圍巖土體和鉆孔內(nèi)換熱器分別看作兩個相互耦合的連續(xù)介質(zhì)。對周圍巖土體采用三維棱柱單元進行離散，鉆孔換熱器中的管道和回填灌漿則采用一維線單元進行離散。下面對雙連續(xù)體介質(zhì)法數(shù)學模型進行介紹。

地埋管換熱器周圍巖土體溫度[Ts]受熱對流和熱傳導的影響，在巖土體比熱容[cs]、巖土體密度[ρs]和巖土體孔隙度[e]及地下水的作用下，其控制方程為：

所有換熱系數(shù)的詳細計算參見文獻［16］。

2 嚴寒地區(qū)中深層地埋管換熱性能模擬

為準確模擬中深層地埋管換熱技術(shù)在中國北方嚴寒地區(qū)的換熱性能及其適用性，利用上述模型，本文構(gòu)建一個連續(xù)供暖4個月（120 d）的運行工況。為盡可能地使模擬貼合實際情況，模型參數(shù)設(shè)置參考中國吉林省某中深層地埋管換熱項目的實測值［13］，見表1。實際運行過程中，模型頂部設(shè)置為恒溫邊界，取項目當?shù)氐亩嗄昶骄鶞囟?.6 ℃，水流流動方向為外進內(nèi)出，循環(huán)流量為30 m3/h，進水邊界設(shè)定為恒定溫度邊界（4 ℃）。

在上述模擬工況下，連續(xù)取熱120 d后，中深層地埋管換熱器出口水溫隨時間的變化以及模型豎向溫度分布如圖2、圖3所示。由圖2可知，中深層地埋管換熱器出口水溫隨時間總體上呈逐漸下降的趨勢。具體來說，在運行初期，其出口水溫呈快速下降趨勢，隨后緩慢下降，最終趨于穩(wěn)定。主要原因在于，地埋管換熱器內(nèi)部循環(huán)水流從周圍巖土體中吸取熱量，導致周圍巖土體溫度下降，二者之間溫差變小，換熱

強度減弱，因此出口水溫隨時間呈逐步下降的趨勢。當運行一段時間后，換熱器與周圍巖土體熱交換基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，其溫度變化趨勢也基本趨于穩(wěn)定。在上述參數(shù)設(shè)定下，連續(xù)運行120 d后，出口水溫基本穩(wěn)定在13.1 ℃，進出口溫差為9.1 ℃，單井換熱功率為321 kW，單井延米換熱功率為160.5 W。相較于一般淺層地埋管30～50 W的延米換熱功率，中深層地埋管換熱技術(shù)在中國北方嚴寒地區(qū)的換熱性能較好，短期供暖適用性較強。

由圖3可知，模型運行120 d后，豎向進水管水溫隨深度的增加逐漸升高，出水管水溫則隨著向上運行過程不斷降低。造成上述現(xiàn)象的主要原因是，循環(huán)水流從外管注入向下運行過程中會從周圍巖土體中不斷吸收熱量，使其溫度不斷上升，到換熱器底部時，溫度達到最高。值得注意的是，在此過程中，水溫增幅也是隨深度的增加而增大的，說明深部換熱效果更好。當循環(huán)水流在水泵作用下從內(nèi)管向上運動的過程中，由于內(nèi)管并非完全絕熱，內(nèi)外管水流會發(fā)生熱交換，導致出水管水溫不斷下降，并且越靠近上部，由于內(nèi)外管循環(huán)水流溫差越大，熱交換越明顯，內(nèi)管的出口水溫下降也越快。在上述參數(shù)設(shè)定下，2000 m深度處循環(huán)水最高溫度為14.75 ℃，而出口水溫為13.13 ℃，溫差為1.62 ℃，熱損失為11%。這部分熱交換對換熱系統(tǒng)而言是一種損失，損失量取決于內(nèi)管導熱能力。因此，實際工程中應選擇隔熱效果好的內(nèi)管材，盡量避免這部分熱損失。

3 影響因素分析

影響中深層地埋管換熱性能的因素較多，基本可分為運行條件、外部因素及內(nèi)部因素三部分。運行條件主要包括循環(huán)水流量及進口水溫；外部因素主要是指項目所在地的地熱地質(zhì)條件，如巖土導熱系數(shù)及地溫梯度等；內(nèi)部因素主要是指換熱器相關(guān)材料及結(jié)構(gòu)特征，如回填材料導熱系數(shù)、內(nèi)外管導熱系數(shù)、地埋管深度及管徑等。下文就上述三類影響因素進行分析。

3.1 運行條件

3.1.1 流 量

現(xiàn)有實際工程中，流量的取值基本在24～28 m3/h之間［17-19］，具體見表2。循環(huán)流量分別取為20、25、30、35、[40 m3/h]，其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨流量的變化如圖4所示。

由圖4可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器的循環(huán)流量越大，其出口水溫越低，換熱功率越大。循環(huán)流量從20 m3/h增大到40 m3/h的過程中，出口水溫從16.94 ℃下降到10.99 ℃，換熱功率從303.14 kW增大到327.51 kW。這是由于循環(huán)流量增大時，外管循環(huán)水與周圍巖土體之間的熱交換更加強烈，單位時間內(nèi)循環(huán)水從周圍巖土體中獲取的總熱量增加。但流量增加后，管內(nèi)循環(huán)水與周圍巖土體熱交換時間變短，單位體積水獲得的熱量降低，導致出口水溫相應降低。實際工程中，循環(huán)流量的改變一方面會影響水泵功耗，另一方面會影響熱泵機組的進水溫度，進而影響熱泵機組的性能。因此，循環(huán)水流量取值應綜合考慮換熱功率、水泵功耗及熱泵機組性能。在滿足水泵功耗及熱泵機組性能要求的情況下可適當增大循環(huán)水流量，以獲取更大的換熱功率。

3.1.2 進口水溫

進口水溫分別取為0、4、8、12、16、20、24 ℃，其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨進口水溫的變化如圖5所示。

由圖5可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器的進口水溫越高，則出口水溫越高，換熱功率越小。進口水溫從0 ℃上升到24 ℃的過程中，出口水溫從9.84 ℃上升到29.61 ℃，換熱功率從345.75 kW降低到196.99 kW。這主要是因為，進口水溫越低換熱器內(nèi)循環(huán)水流與周圍巖土體的溫差越大，傳熱動力越強，換熱功率越大。實際工程中，一般地熱側(cè)建議采用大溫差運行模式。一方面，大溫差可使從熱泵機組出來進入中深層地埋管換熱器的回水溫度較低，增大循環(huán)水與周圍巖土體溫差，提高換熱功率；另一方面，在相同換熱功率的情況下，較低的進口水溫可降低循環(huán)水流量，起到降低水泵輸配功耗的作用，提高節(jié)能效果。因此，在綜合考慮熱泵機組的進口水溫要求的情況下，可盡量采用較低的進口水溫，以提高換熱功率。

3.2 外部因素

3.2.1 巖土導熱系數(shù)

選取致密黏土、頁巖、石灰?guī)r、砂巖及花崗巖一系列典型巖土的導熱系數(shù)作為研究對象，導熱系數(shù)取值為1.4、2.0、2.5、3.0、3.5 W/（m·K），其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨巖土導熱系數(shù)的變化如圖6所示。由圖6可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器所在區(qū)域的巖土導熱系數(shù)越大，出口水溫越高，換熱功率越大。巖土導熱系數(shù)從1.4 W/（m·K）增大到3.5 W/（m·K）的過程中，出口水溫從9.84 ℃上升到15.67 ℃，換熱功率從205.24 kW增大到410.27 kW。這是因為巖土體的導熱系數(shù)越大，相對應的周圍巖土體的熱量會更好地被循環(huán)水流所吸收。因此，實際工程中，前期巖土熱物性勘察工作就變得十分重要，盡量將中深層地埋管換熱器設(shè)置在具有較大巖土導熱系數(shù)的區(qū)域，以提高其換熱能力。

3.2.2 地溫梯度

地溫梯度取值為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、[5.0 ℃/100 m]，其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨地溫梯度的變化如圖7所示。由圖7可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器所在區(qū)域的地溫梯度越大，出口水溫越高，換熱功率越大。地溫梯從1.5 ℃/100 m增大到5.0 ℃/100 m的過程中，出口水溫度從6.66 ℃上升到13.01 ℃，換熱功率從93.35 kW增大到316.49 kW。這是因為地溫梯度越大，說明相同深度處地溫越高，換熱器內(nèi)循環(huán)水流與周圍巖土體的溫差越大，傳熱動力越強，熱交換越強烈。因此，實際工程中，前期巖土體原始地溫場的測定十分重要，盡可能將中深層地埋管換熱器設(shè)置在具有較大地溫梯度的區(qū)域，以提高其換熱能力。

3.3 內(nèi)部因素

3.3.1 回填材料導熱系數(shù)

選取空氣、水、膨脹土及混凝土砂子混合物一系列典型材料的導熱系數(shù)作為研究對象，導熱系數(shù)取值為0.02、0.6、0.73、2.5 W/（m·K），其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨回填材料導熱系數(shù)的變化如圖8所示。

由圖8可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器的回填材料導熱系數(shù)越大，出口水溫越高，換熱功率越大?；靥畈牧蠈嵯禂?shù)從0.02 W/（m·K）增大到2.5 W/（m·K）的過程中，出口水溫從6.51 ℃上升到13.63 ℃，換熱功率從88.16 kW增大到338.51 kW。值得注意的是，回填材料導熱系數(shù)從0.02 W/（m·K）增大到0.6 W/（m·K）時，換熱器的出口水溫及換熱功率有明顯增加，而后回填材料導熱系數(shù)的增大對出口水溫及換熱功率的增幅影響較小。一般，規(guī)范規(guī)定，保證采熱段回填材料的導熱系數(shù)不低于鉆孔外熱儲層巖土體導熱系數(shù)即可。回填材料的配比應根據(jù)地質(zhì)特征確定，除考慮導熱系數(shù)外，更重要的還要考慮回填材料與周圍巖土體的適宜性，以保證回填的密實程度，一旦出現(xiàn)空隙及空氣等會嚴重影響換熱器的換熱性能。工程中一般推薦使用水泥基底的回填料。

3.3.2 地埋管深度

地埋管深度取值為1200、1600、2000、2400、2800、3200 m，其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨地埋管深度的變化如圖9所示。由圖9可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器的深度越深，出口水溫越高，換熱功率越大。地埋管換熱器深度從1200 m增大到3200 m的過程中，出口水溫從7.40 ℃上升到25.98 ℃，換熱功率從119.35 kW增大到772.24 kW，且隨著深度的增加，出口水溫及換熱功率的增幅也增加。這主要是因為隨著深度的增加，地埋管的下部換熱長度增加，相較于上部采熱段，增加的換熱長度段的地溫更高，換熱效果更好，但實際工程中，鉆孔越深鉆探成本越高。因此，在選擇鉆孔深度時應綜合考慮實際負荷需求、換熱功率、熱泵機組性能及鉆探成本。

3.3.3 外管導熱系數(shù)

外管導熱系數(shù)取值為1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55 W/（m·K），其他參數(shù)不變，其出口水溫和換熱功率隨外管導熱系數(shù)的變化如圖10所示。由圖10可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器的外管導熱系數(shù)越大，出口水溫越高，換熱功率越大。外管導熱系數(shù)從1 W/（m·K）增大到55 W/（m·K）的過程中，出口水溫從12.77 ℃上升到13.14 ℃，換熱功率從308.12 kW增大到321.05 kW。實際上，外管導熱系數(shù)影響周圍巖土體到外管循環(huán)水的傳熱。但在外管循環(huán)水與周圍巖土體的傳熱過程中，周圍巖土體的熱阻起到主導作用，約占總熱阻的90%。因此，當外管導熱系數(shù)高于10 W/（m·K）時，其對地埋管換熱器的換熱性能影響不大。而在實際工程中，一般外管都是采用鋼管，導熱系數(shù)基本都在40 W/（m·K）以上。因此，對于外管的選取更應該關(guān)注其強度、耐久性、耐腐蝕性等特質(zhì)。

3.3.4 內(nèi)管導熱系數(shù)

內(nèi)管導熱系數(shù)取值為0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 W/（m·K），其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率以及地埋管換熱器豎向溫度分布隨內(nèi)管導熱系數(shù)的變化如圖11、圖12所示。由圖11可知，其他參數(shù)不變的情況下，中深層地埋管換熱器的內(nèi)管導熱系數(shù)越大，出口水溫越低，換熱功率越小。地內(nèi)管導熱系數(shù)從0.05 W/（m·K）增大到1.6 W/（m·K）的過程中，出口水溫從13.22 ℃下降到11.28 ℃，換熱功率從324.10 kW減小到255.96 kW。這是因為內(nèi)管導熱系數(shù)影響內(nèi)管循環(huán)水與外管循環(huán)水之間的傳熱。由圖12可知，在外管循環(huán)水下行的過程中，從周圍巖土體中吸收熱量，到[2000 m]深度時溫度最高。隨后，當水向上流經(jīng)內(nèi)管時，由于內(nèi)管壁的熱阻較低，其溫度逐漸下降。而隨著內(nèi)管導熱系數(shù)的增大，會有更多熱量從內(nèi)管水轉(zhuǎn)移到外管水中，最終導致地埋管換熱器外管水溫上升，進而與周圍巖土體溫差變小，換熱效率降低，換熱功率及出口水溫升高。因此，實際工程中，應注意選擇導熱系數(shù)較小的內(nèi)管管材，減少內(nèi)外管循環(huán)水熱量交換，以提高出口水溫、增大換熱功率。

3.3.5 管 徑

實際工程中，中深層地埋管換熱器外管管材一般為石油套管，內(nèi)管管材一般為高密度聚乙烯管。依據(jù)高密度聚乙烯管生產(chǎn)規(guī)范規(guī)定，內(nèi)管管徑分別選取[Ф50×5.6、Ф63×7.1]、[Ф75×8.4、Ф90×10.1、Ф110×12.3、Ф125×14.0]，外管管徑為[Ф177.8×8]，其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨內(nèi)管管徑的變化如圖13所示。

由圖13可知，中深層地埋管換熱器的外管管徑一定時，內(nèi)管管徑越大，出口水溫越低，換熱功率越小。內(nèi)管管徑從50 mm增大到125 mm的過程中，出口水溫從13.20 ℃下降到13.12 ℃，換熱功率從323.41 kW減小到320.45 kW。主要原因在于，在外管管徑及流量一定的情況下，內(nèi)管管徑增大會使外管循環(huán)水流速增大、內(nèi)管循環(huán)水流速降低，外管循環(huán)水流速增大會加強與周圍巖土體換熱強度，但內(nèi)管循環(huán)水流速降低會使內(nèi)管水上行過程中散熱量增大，二者共同作用下，導致?lián)Q熱器換熱功率隨內(nèi)管管徑的增大而減小。

依據(jù)石油化工鋼管尺寸標準規(guī)定，外管管徑分別選取[Ф141.3×9.53]、Ф168.3×10.97、Ф219.1×12.70、Ф273.1×12.70、Ф323.9×12.70，內(nèi)管管徑為Ф110×12.3。其他參數(shù)不變，出口水溫和換熱功率隨外管管徑的變化如圖14所示。

由圖14可知，中深層地埋管換熱器的內(nèi)管管徑一定時，外管管徑越大，出口水溫越高，換熱功率越大。外管管徑從141.3 mm增大到323.9 mm的過程中，出口水溫從12.78 ℃上升到14.98 ℃，換熱功率從308.49 kW增大到385.94 kW。故在其他參數(shù)不變的情況下，外管管徑增大有利于換熱器換熱。主要原因在于，外管管徑增大會使換熱器與周圍回填材料的接觸換熱面積增大，導致?lián)Q熱器換熱功率增大，出口水溫升高。

除此之外，外管管徑增大，內(nèi)外管之間的環(huán)形水流截面面積也會增大，導致外管水流速度減小，這也會影響換熱器換熱功率和出口水溫。在二者的共同作用下，隨著外管管徑的增大，換熱功率增大，出口水溫升高。但在實際工程應用中，要注意外管管徑的增大會導致鉆孔孔徑變大，增加鉆探成本。因此，實際選擇外管管徑時，應綜合考慮換熱功率、鉆探成本等因素，在一定范圍內(nèi)適當增大外管管徑。

3.4 影響因素分析

對上述各種運行工況結(jié)果的最大值和最小值進行比較，以反映各影響因素對中深層地埋管換熱器的出口水溫及換熱功率的影響程度，比較結(jié)果見表3、表4。由表3、表4可得出：1）對出口水溫影響最大的兩個因素是地埋管深度和進口水溫，其次是回填材料導熱系數(shù)、地溫梯度、巖土導熱系數(shù)和流量，其余因素影響較小。2）對換熱功率影響最大的因素是地埋管深度，其次是回填材料導熱系數(shù)、地溫梯度、巖土導熱系數(shù)、進口水溫、外管管徑、內(nèi)管導熱系數(shù)、流量，其余因素影響較小。3）總體來說，地埋管深度對出口水溫和換熱功率影響最大，其次是地熱地質(zhì)條件及回填材料導熱性能。因此，在設(shè)計前應對項目所在地的地熱地質(zhì)條件進行詳細調(diào)查，盡可能選擇具有較好地熱地質(zhì)條件的區(qū)域布置地埋管。同時，有條件的情況下盡可能選擇較深的地埋管深度。

4 中深層地埋管換熱器長期運行可持續(xù)性研究

根據(jù)上述研究結(jié)果，選擇最優(yōu)的參數(shù)組合，以研究較好條件下中深層地埋管換熱器長期運行的可持續(xù)性。具體參數(shù)設(shè)置見表5。

實際運行過程中，模型溫度分布及邊界條件設(shè)置不變，循環(huán)流量為30 m3/h，進水溫度恒定為5 ℃。在此條件下，連續(xù)運行10 a，換熱器出口水溫及換熱功率隨時間的變化如圖15所示。

由圖15可知，連續(xù)運行10 a期間，隨著運行時間的增加，中深層地埋管換熱器的出口水溫及換熱功率逐漸下降，但下降趨勢逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。中深層地埋管換熱器連續(xù)運行1 a后出口水溫為18.2 ℃，連續(xù)運行2 a后出口水溫為17.4 ℃，年衰減率為4.48%。其后年衰減率逐漸降低，連續(xù)運行7 a后，年衰減率已低于1%。相較于連續(xù)運行1 a，雖然連續(xù)運行10 a后出口水溫及換熱功率分別下降了12.9%和17.8%，但換熱器進出口溫差仍有10.8 ℃、延米換熱功率仍有150 W/m?？紤]到實際運行過程中每年會有超過200 d的地溫恢復時間，因此可認為中深層地埋管換熱器長期運行的可持續(xù)性較好，可用于中國北方嚴寒地區(qū)長期供暖。

5 結(jié) 論

1）中深層地埋管換熱技術(shù)單井延米換熱功率大、換熱性能較好，在中國北方嚴寒地區(qū)供暖方面適用性較強。

2）實際工程中，應將地埋管布置在具有較大巖土導熱系數(shù)及地溫梯度的區(qū)域，并采用與周圍巖土體適宜性較好的回填材料回填，回填材料導熱系數(shù)應略大于鉆孔外熱儲層巖土體導熱系數(shù)，同時盡量選擇高熱阻的管材作為內(nèi)管。一定范圍內(nèi)，選擇較深的地埋管深度以及較小的內(nèi)外管徑比。系統(tǒng)運行時，當熱負荷較大時可通過增大循環(huán)水流量和降低進水溫度來獲取較大換熱功率；當熱負荷較小時，可采用較小循環(huán)水流量以降低水泵功耗，或采用較大進水溫度，提高熱泵機組效率，達到節(jié)能的效果。

3）中深層地埋管換熱器設(shè)計較為合理時，其長期運行可持續(xù)性較好，可用于中國北方嚴寒地區(qū)長期供暖。

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STUDY ON INFLUENCING FACTORS AND SUSTAINABILITY OF

HEAT EXCHANGE OF MIDDLE-DEEP GEOTHERMAL

ENERGY IN SEVERE COLD REGION

Wang Zihong1，Guo Liangliang1，Zhou Xueyu1，Mei Zhenzhou2

（1. College of Water Resources Science and Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China；

2. China Railway Design Group Co.， Ltd.， Tianjin 300142， China）

Abstract：Using the dual continuum medium method， a comprehensive numerical model of buried pipe heat transfer is established. On this basis， we evaluate the applicability of this technology in the severe cold region of northern China. At the same time， the influencing factors and sustainability of its heat transfer are studied. The research results show that in the severe cold region of northern China， the heat transfer performance of the mid-deep buried tube heat exchange technology is excellent， and it has good applicability and sustainability. The increase of the circulating water flow， the buried pipe depth， the thermal conductivity of inner pipes or the thermal conductivity of backfill materials can improve the heat transfer power； of the buried pipe. However， the increase of circulating water inlet temperature， inner and outer pipe diameter ratio or inner pipe thermal conductivity will reduce the heat transfer effect.

Keywords：geothermal energy； heat transfer performance； numerical simulation； cold region； sustainability

收稿日期：2022-05-07

基金項目：山西省基礎(chǔ)研究計劃（面上項目）（202203021211127）；中國博士后科學基金（2020T130390；2019M661053）；山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)

勘查院開放基金（2022DY09）

通信作者：郭亮亮（1988—），男，博士、副教授、碩士生導師，主要從事地熱資源開發(fā)方面的研究。guoliangliang@tyut.edu.cn