胡文全，曹慶皎，張昌建，2，羅景輝，2，劉小溪

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000；2.河北省暖通空調(diào)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056000）

受能源與環(huán)境雙重壓力影響，中深層地?zé)崂眉夹g(shù)研究日趨活躍，高效利用中深層地?zé)崾墙鉀Q碳達(dá)峰、碳中和的有效途徑之一[1]。

我國目前利用中深層地?zé)嵊?種方法[2]。

（1）水熱型地?zé)釗Q熱技術(shù)。通過將地下水資源開采抽出，提取熱量后回灌。具有單井取熱量大、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，但回灌困難、污染地下水環(huán)境。

（2）保水取熱換熱技術(shù)。利用外界循環(huán)液進(jìn)入井下管道與巖土層換熱，無需開采地下水資源，取熱不取水。主要包括2種形式：U型對(duì)接井和同軸套管井。但換熱量有限，工程造價(jià)高，施工難度大。

本文針對(duì)中深層地?zé)崮芡茝V應(yīng)用過程中存在的技術(shù)難題，提出的“同層回灌技術(shù)”，通過潛水泵和真空保溫套管將取出的高溫水經(jīng)過換熱后，送回同取水層，不對(duì)地下水造成影響，實(shí)質(zhì)上是一種“取熱不取水”的方式[3-4]；將取熱與熱泵技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)熱能梯級(jí)利用，構(gòu)成完整的供暖系統(tǒng)[5]。

1 深井概況

地?zé)峋挥诤颖惫こ檀髮W(xué)新校區(qū)，所屬地?zé)崽餅楹?磁縣地?zé)崽?，屬于沉積盆地型地?zé)崽铮販靥荻?.53℃/100 m，井深1 570 m，終孔在地層古近系；穩(wěn)定水位36.82 m。根據(jù)水樣水質(zhì)全分析資料，本井熱儲(chǔ)含水層水化學(xué)類型HCO3·Cl-K·Na，溶解性總固體866.00 mg/L，pH值8.22，總硬度38.04 mg/L，屬弱堿性軟水。

1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，鉆井分為三開：

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

一開0～94.2 m井段：螺旋套管φ377×8 mm，套管入井深度94.2 m，高出地面長度2.2 m。

二開94.2～951.74 m井段：石油套管φ273×8.89 mm，套管入井深度78.45～951.74 m。

三開951.74～1 570 m井段：石油套管（花管）φ177.8×8.05 mm，套管入井深度935.11～1 570 m。1 206～1 521 m設(shè)置12 m濾水管8根。

1.2 鉆井溫度變化圖

該井測井的最終深度為1 552.40 m。測得井深1 552 m的井溫為61.6℃。水溫T（℃）與鉆井深度L（m）的變化關(guān)系如圖2所示，二者可擬合為多項(xiàng)式公式：

圖2 鉆井深度與水溫關(guān)系圖

T=0.0601L3-8.5152L2+430.06L-6573.5。

1.3 熱儲(chǔ)含水層抽水試驗(yàn)

對(duì)熱儲(chǔ)含水層進(jìn)行正式抽水試驗(yàn)，獲得最大降深62.51 m時(shí)，涌水量63.648 m3/h，抽水試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行了水位恢復(fù)觀測，見表1。根據(jù)測井資料和抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，劃分14個(gè)含水層，單層厚度為1.45～7.40 m，累計(jì)含水層（中細(xì)砂巖）總厚度43 m。抽水試驗(yàn)最大涌水量1 527.55 m3/d，井口出水最大溫度為48.5℃。

表1 熱儲(chǔ)含水層抽水試驗(yàn)觀測

2 中深層地?zé)崮芮鍧嵐┡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 供暖系統(tǒng)原理

通過井下120 m處潛水泵，將45℃熱水抽出，輸送至清潔供暖系統(tǒng)一級(jí)板換換熱，水溫下降至35℃，提取出的熱量：Q1=（45-35）×20×1.163=232.6 kW直接供給熱用戶。

35℃低溫?zé)崴M(jìn)入二級(jí)板換換熱，水溫下降至8℃，提取出熱量：Q2'=（35-8）×20×1.163=628 kW，經(jīng)熱泵機(jī)組（選型見2.3.3，cop=3.72）提升能級(jí)后，獲得熱量Q2=Q2'÷（3.72-1）×3.72=858.9 kW，熱泵機(jī)組電功率為230.9 kW。

8℃冷水通過石油真空保溫管道輸送至井下1 300 m處，通過花管回灌至井下1 300～1 500 m處，實(shí)現(xiàn)同層（館陶組熱儲(chǔ)層）回灌。

2.2 清潔供暖系統(tǒng)原理

清潔供暖系統(tǒng)的組成主要由潛水泵、管道管網(wǎng)、一級(jí)、二級(jí)板式換熱器、水源熱泵、回灌壓力泵及熱用戶組成。系統(tǒng)工藝流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 負(fù)荷設(shè)計(jì)

河北工程大學(xué)現(xiàn)需要采暖的建筑面積為19 700 m2，建筑負(fù)荷985 kW，熱量損失8%，需要熱量1 063.8 kW。

2.3.2 系統(tǒng)阻力

（1）管網(wǎng)阻力計(jì)算

井下抽水流量L=20 m3/h，由公式（1）可計(jì)算各管道沿程阻力。

其中井下抽水管道DN80管道，v1=1.1 m/s，λ1=0.24，l1=120 m；

井上供回水管道DN100管道，v2=0.63 m/s，λ2=0.18，l2=400 m；

井下非保溫回灌管道DN80管道，v3=1.1 m/s，λ3=0.24，l3=200 m；

井下回灌石油保溫套管DN100管道，v4=0.63 m/s，λ4=0.18，l4=1 100 m。

水力計(jì)算得：P1=2.3 mH2O，P2=1.8 mH2O，P3=3.8 mH2O，P4=5.0 mH2O；合計(jì)12.9 mH2O。

附加50%局部阻力，6.5 mH2O。

（2）抽水揚(yáng)程及設(shè)備阻力

抽水高度120 m、板式換熱器兩臺(tái)合計(jì)10 m H2O。

合計(jì)阻力149.4 m，循環(huán)水泵選用200QJ20-200，流量20 m3/h，揚(yáng)程200 m，電機(jī)功率22 kW；額外設(shè)置流量20 m3/h，揚(yáng)程80 m，電機(jī)功率11 kW的變頻水泵CDL-32-60用于克服井下涌水壓力實(shí)現(xiàn)回灌。

2.3.3 水源熱泵選型計(jì)算

總熱負(fù)荷需求為1 063.8 kW，其中一級(jí)板換直接供熱提供232.6 kW，需依靠熱泵提供831.2 kW熱量。選用約克YEWS260HA50E-HP2型水源熱泵，當(dāng)前工況下電功率230.9 kW。

二級(jí)板換熱水側(cè)進(jìn)出口溫度為35/8℃，取蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫15/5℃，流量54 m3/h。

2.3.4 板式換熱器選型計(jì)算[6]

一級(jí)板換基本參數(shù)見表2。

表2 一級(jí)板換基本參數(shù)表

Δ大=Δ小，用平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差，平均溫差Δtm=5℃。

由公式（2）估算傳熱面積：10 m2

其中：K'為經(jīng)濟(jì)換熱系數(shù)，水-水換熱器取值2 900～4 650 W／（m2·k）。

選BR0.6M型換熱器，有效換熱面積f=0.6 m2，流道截面積S=2.132×10-3m2，當(dāng)量直徑d1=d2=7.6 mm。

換熱器流速取W1=W2=0.35 m/s。

由公式（3）計(jì)算雷諾數(shù)：Re1=3 548，Re2=3 219.7。

由公式（4）計(jì)算努謝爾特?cái)?shù)：Nu1=111.7，Nu2=125.9。

由公式（5）計(jì)算換熱系數(shù)：α1=117.8，α2=130.9。

由公式（6）計(jì)算傳熱系數(shù)：K=4 228.9 W/m2·℃。

板換熱阻RP為45×10-5m2·℃/W，水垢熱阻Rf為1.16×10-6m2·℃/W。

由公式（7）計(jì)算理論換熱面積：Fm=11 m2。

由公式（8）計(jì)算單程流道數(shù)：n1=n2=8。

由公式（9）計(jì)算流程數(shù)：N1=N2=1.2。

故取n=10，N=1。

由公式（10）計(jì)算實(shí)際換熱面積：F=11.4 m2。

最終選用BR0.6MH型換熱器，板片數(shù)21，換熱面積11.4/12.6 m2（計(jì)算/裝機(jī)）。

二級(jí)板換同理，得出n=13，N=2，F(xiàn)=30.6 m2。

最終選用BR0.6型換熱器，板片數(shù)53，換熱面積30.6/31.8 m2（計(jì)算/裝機(jī)）。

2.4 其他設(shè)備選型

（1）一級(jí)供熱泵：80KQL50-32-7.5/2，流量50 m3/h、揚(yáng)程32 m，電機(jī)功率7.5 kW。

（2）內(nèi)循環(huán)泵：100KQL80-24-7.5/2，流量80 m3/h、揚(yáng)程24 m，電機(jī)功率7.5 kW。

（3）二級(jí)供熱泵：100KQL100-32-15/2，流量100 m3/h、揚(yáng)程32 m，電機(jī)功率15 kW。

總電功率293.9 kW，其中熱泵功率230.9 kW，水泵功率63 kW。

3 清潔供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

本系統(tǒng)已在河北工程大學(xué)建造并投入運(yùn)行，供暖面積19 700 m2，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 本系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行天數(shù)150 d，電費(fèi)單價(jià)0.6元。

熱泵運(yùn)行時(shí)間系數(shù)0.6，季節(jié)系數(shù)0.6，功率230.9 kW；水泵運(yùn)行時(shí)間系數(shù)0.6，功率63 kW。

運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)26.11萬元。

3.2 集中供暖運(yùn)行費(fèi)用

采用集中供熱，運(yùn)行費(fèi)用為6.4元（/m2·月），運(yùn)行5個(gè)月，運(yùn)行費(fèi)用為63.04萬元。

每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用63.04-26.11=36.93萬元。河北省內(nèi)廢棄地?zé)峋袔装倏?，若改造為本系統(tǒng)，將產(chǎn)生極高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了清潔供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)制熱量1 091.5 kW，系統(tǒng)COP4.72，實(shí)現(xiàn)了深層地?zé)豳Y源的高效利用，是解決碳達(dá)峰，碳中和的有效途徑。

（2）首次采用了同層回灌技術(shù)，為解決深層取水導(dǎo)致的環(huán)境污染問題提供了新的途徑。

（3）建成了示范項(xiàng)目，解決了河北工程大學(xué)19 700 m2冬季供暖問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。