中深層地?zé)崮芨蔁釒r技術(shù)及應(yīng)用研究

李 陽，賀國華，張 旭，徐 強，李壯壯

（中建方程投資發(fā)展集團有限公司西北分公司，陜西 西安）

引言

我國能源結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)化石能源為主，煤炭占比較大，導(dǎo)致較嚴重的環(huán)境污染和碳排放問題。西咸新區(qū)發(fā)展快，供熱配套發(fā)展滯后，供需矛盾突出，但地?zé)豳Y源豐富，適合作為建筑供暖的熱源?！半p碳”目標背景下，中深層地?zé)崮埽ǜ蔁釒r）作為一種清潔的可再生地?zé)豳Y源，在過去40 年里, 干熱巖的利用技術(shù)日趨成熟，顯現(xiàn)出了巨大的商業(yè)價值。

地?zé)崮芊譃闇\層、中層、深層地?zé)豳Y源。淺層地?zé)崮芾脽崴毓喑杀敬?，大面積開采會出現(xiàn)地?zé)崴幌陆?。由于長期開采地下熱水，西安、咸陽、渭南已經(jīng)形成大面積降落漏斗，水位和水溫均難以恢復(fù)，導(dǎo)致地面沉降和地質(zhì)災(zāi)害。西安市區(qū)范圍內(nèi)由于抽取地下水引起地裂縫和地面形變，不再允許采用取水型地?zé)峋拈_發(fā)利用[1]。

本研究采用取熱不取水的中深層地埋管換熱技術(shù)，符合我國綠色發(fā)展、低碳發(fā)展和循環(huán)發(fā)展的市場導(dǎo)向和國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，有利于實現(xiàn)“雙碳”目標，具有良好的生態(tài)效益和社會效益。

1 西安灃東地區(qū)地?zé)豳Y源分析

甘肅、陜西、山西、河南、河北、天津五省一市屬于集中供熱需求與地?zé)豳Y源匹配度非常好的區(qū)域，基本處于膠遼地?zé)釒Ш臀己优璧?，地溫梯度較好，大多數(shù)區(qū)域超過3 ℃/100 m。同時很多區(qū)域打井成本較低，成井難度低、風(fēng)險小。陜西單位面積熱儲量關(guān)中盆地位居全國首位，僅關(guān)中盆地總熱量可供暖面積為8.84億m2。

西安灃東灃和苑項目在區(qū)域上為汾渭盆地之關(guān)中渭河斷陷盆地的中部，不同規(guī)模不同走向基底斷裂發(fā)育已知有百余條，尤其深斷裂帶斷距達數(shù)千米，繼承性活動較強烈，傳導(dǎo)深部熱量性能好，大量資料表明渭河斷凹是陜西地?zé)豳Y源富集地帶。項目所在地西安凹陷區(qū)內(nèi)大地?zé)崃髟?3.4～77.5 mW/m2區(qū)間，平均值為70.68 mW/m2，高于全國及西北地區(qū)平均值。區(qū)內(nèi)已成地?zé)峋∷沃悬c平均地溫梯度值為3.18～3.84℃/100 m，高于地球平均地溫梯度3 ℃/100 m，具備使用中深層地埋管供熱的基礎(chǔ)條件[2]。

2 換熱原理與模擬模型

2.1 換熱原理

項目采用同軸套管換熱系統(tǒng)，該技術(shù)主要是在鉆井內(nèi)安裝同軸套管，在套管的外壁和周邊地層之間灌入水泥砂漿，以保證套管和巖石之間的接觸和傳熱。液、氣體與固體之間的熱傳遞除對流傳熱以外，還常常伴隨著熱傳導(dǎo)。在外套管中注入的冷水在下降過程中被周邊的地層加熱升溫，熱水到達套管底部后進入內(nèi)管再次向上移動，從而用于建筑末端供暖[1]。供熱冷卻之后的循環(huán)水再次進入地下?lián)Q熱循環(huán)，形成一個閉路結(jié)構(gòu)，并通過大溫差熱泵機組系統(tǒng)向末端供熱的技術(shù)。同軸套管換熱器原理如圖1 所示。

圖1 同軸套管換熱器原理

2.2 幾何模型

建立同軸套管換熱器幾何模型[3]，埋深2 500 m，直徑178 mm，模型幾何參數(shù)如表1 所示。

表1 模型幾何參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

使用icem 軟件對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用由面到體的劃分方式，對端部及內(nèi)外套管換熱邊界處網(wǎng)格進行了局部加密，模型的網(wǎng)格數(shù)量為216 萬，保證網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格劃分情況如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

地下巖體區(qū)域的參數(shù)設(shè)置如下：根據(jù)溫度梯度取值，編寫自定義函數(shù)UDF，巖土溫度梯度為2.6 ℃/100 m，熱井最深處溫度為80 ℃。導(dǎo)熱系數(shù)為2.5 W/(K·m)，計算過程中地表及計算區(qū)域底部都設(shè)為定溫邊界，其溫度始終與初始溫度相等。將模型導(dǎo)入Fluent 軟件進行數(shù)值模擬，設(shè)置為穩(wěn)態(tài)，湍流模型采用k-epsilon 模型，選用標準壁面函數(shù)法，壓力速度耦合選用Simple 算法。邊界條件設(shè)置中，速度入口設(shè)置為“magnitude normal and boundary”（垂直速度入口），幾何模型上表面設(shè)置為“heatflux”（熱通量）型wall；內(nèi)管內(nèi)壁面、外壁面和外管內(nèi)壁面均設(shè)置為“couple”（耦合型）wall[4]；巖土外壁面引入UDF，設(shè)置為溫度隨溫度梯度變化的界面。設(shè)定管子側(cè)面及端部壁面為無滑移邊界，粗糙度常數(shù)為0.5。材料導(dǎo)熱系數(shù)如表2 所示。

表2 材料導(dǎo)熱系數(shù)

2.5 收斂設(shè)定

定義收斂條件，除能量的殘差值外，當所有變量的殘差值都降到低于1e-05, 能量的殘差絕對值的收斂標準小于1e-10。如圖3 所示，當殘差曲線所顯示出來的監(jiān)控曲線趨于平穩(wěn)，可以判定殘差曲線得到收斂，已經(jīng)得到了數(shù)值計算的解。

圖3 模擬收斂圖

3 模擬結(jié)果

由模擬得到的圖4 換熱管端部流線矢量圖可以看出，在管道端部的流體由外管向內(nèi)管轉(zhuǎn)向處，流速最高。受地溫梯度影響，土壤隨著深度越深，溫度逐漸升高。流體從外套管入口到內(nèi)套管出口，溫度逐漸上升，流體被加熱后，從內(nèi)套管回流至地面。

圖4 換熱器端部的流線矢量圖

根據(jù)模擬結(jié)果，當流速為0.06 m/s，入口溫度為15 ℃時，單管換熱量為370 390.6 W，出口溫度為24℃。

4 環(huán)保性分析

4.1 設(shè)計方案

西安灃東灃和苑項目總建筑面積為45.12 萬m2，地上建筑面積為35.8 萬m2，具有外墻外保溫和屋頂保溫系統(tǒng)，供熱指標為40 W/m2，總熱負荷為14 331 kW。采用中深層地?zé)嶙鳛榛A(chǔ)供熱熱源，電輔熱為備用、調(diào)峰熱源。本項目設(shè)置一個供熱站，供熱站布置在負一層地下室，占地面積580 m2，其中地?zé)嶂鳈C房：435 m2，要求凈高4.5 m；配電室面積：145 m2，供熱站用電負荷5 800 KW。

無干擾中深層地埋管換熱孔一般孔井可解決2～4 萬m2建筑的采暖需求；項目設(shè)計中深層地?zé)岬責(zé)峥讛?shù)量12 口，中深層地?zé)釗Q熱器數(shù)量12 套，地?zé)峥子行疃? 500～3 200 m，地?zé)峥卓讖郊s200 mm。供熱能力能夠保障小區(qū)供熱需求。

4.2 節(jié)能減排效果

西安灃東灃和苑項目供暖全年耗熱量經(jīng)計算為111 055 GJ。

采用地?zé)犴椖颗c燃煤供熱項目排放對比，如表3所示。

表3 采用地?zé)犴椖颗c燃煤供熱項目排放對比

使用地?zé)崮芄┡粋€采暖季（4 個月）相比燃煤鍋爐供熱能減少二氧化碳排放量約8 016 t，減少二氧化硫排放量約112 t，減少氮氧化物排放約26 t。

該項目對于推動西咸新區(qū)地?zé)崮芮鍧嵢∨夹g(shù)發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、改善大氣環(huán)境及治污減霾、實現(xiàn)碳達峰及碳中和目標，具有重要的推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

本文建立了中深層地埋管換熱器與巖土的穩(wěn)態(tài)換熱模型，并得出了其數(shù)值模擬的流場及溫度場情況。結(jié)合西安灃東灃和苑項目，提出供暖設(shè)計機房及地埋管換熱孔方案。從環(huán)保性出發(fā)，計算全年耗熱量，使用地?zé)崮芄┡粋€采暖季（4 個月）相比燃煤鍋爐供熱能減少二氧化碳排放量約8 016 t，減少二氧化硫排放量約112 t，減少氮氧化物排放約26 t。