秦圣權(quán) QIN Sheng-quan

（安徽華冶新能源科技有限公司，合肥 230000）

0 引言

隨著低碳時代的到來，余熱回收儲存技術(shù)正面臨新一輪的市場需求。其中如何將火力發(fā)電廠夏季的余熱儲存到地下，進行冬季供暖，是值得深入研究的課題。本文就北方某電廠計劃采用同軸深井換熱器進行跨季節(jié)儲能，根據(jù)委托進行場地巖土熱響應(yīng)試驗、進行數(shù)據(jù)處理分析、得出所在場區(qū)的地下巖土熱物性參數(shù)，并就該技術(shù)換熱性能等進行分析，為儲能系統(tǒng)的深化設(shè)計及后期運行管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 同軸深井換熱器結(jié)構(gòu)簡介

北方某熱電廠擬采用同軸深井換熱器技術(shù)進行夏季余熱儲存和冬季取熱。先進行巖土熱響應(yīng)測試，獲得場區(qū)巖土體巖層可鉆性、初始平均溫度、巖土體綜合熱物性及巖土體換熱能力等參數(shù)。設(shè)計DN80 同軸深井1 口，井深300m。具體結(jié)構(gòu)和換熱原理如下：

1.1 基本結(jié)構(gòu)

同軸深井換熱器技術(shù)由我公司研發(fā)，我司編寫并公開的《地源熱泵同軸深井換熱器應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》（Q/BHYDR001-2016），該項技術(shù)獲安徽省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳鑒定（皖建科鑒字[2015]第026 號）。主要是采用鋼外管及芯管組成的密閉環(huán)路形成的地下?lián)Q熱系統(tǒng)，有效深度約為300m，內(nèi)部芯管出水，外部環(huán)腔進水?？紤]管道防腐，外管非含氧層采用無縫鋼管或焊管，含氧層采用鍍鋅鋼管，含氧層套絲破壞鍍鋅層處采用瀝青防水卷材熱熔包裹，管道承壓等級為1.6MPa。同軸深井換熱器曾成功使用在某住宅小區(qū)地源熱泵地埋管中[1]，而由于本次同軸深井換熱器用于儲熱。考慮到管腔內(nèi)水溫要遠高于地源熱泵系統(tǒng)夏季管內(nèi)循環(huán)水的溫度，將原來的PE 芯管調(diào)整為耐高溫的PERT 管[2]，承壓等級由1.0MPa 調(diào)整為1.6MPa。

1.2 換熱原理

循環(huán)介質(zhì)經(jīng)空調(diào)主機換熱→地下?lián)Q熱器外支護套管→經(jīng)充分熱交換后由支護套管的底部→換熱器芯管→經(jīng)水平管→主機，完成換熱。

外支護套管的口徑遠大于內(nèi)管口徑，在工質(zhì)循環(huán)流量一定的條件下，工質(zhì)在外支護套管內(nèi)流速??；由于外支護套管口徑、深度大，所以換熱器與巖土的接觸面積大，使得地下?lián)Q熱器與地下巖土有足夠的換熱空間；外支護套管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流速較小使得地下?lián)Q熱器有足夠的時間與地下巖土進行熱交換。

2 試驗井巖土熱響應(yīng)試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

根據(jù)文獻要求[3]，閉式地源熱泵換熱器的設(shè)計應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗出的巖土體綜合熱物性參數(shù)，采用專用軟件進行計算。其主要目的是：①獲得現(xiàn)場土壤的熱物性參數(shù)，為地源熱泵換熱器的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)；②獲得地下?lián)Q熱器單位埋深換熱能力，為換熱器長度的初步估算及其布置提供參考（注意：單位埋深換熱能力不能作為最終設(shè)計依據(jù)）；③為后期地源熱泵系統(tǒng)長期運行后土壤溫度的變化及土壤熱平衡問題的計算分析與校核提供數(shù)據(jù)；④了解擬建場地換熱器的可鉆性，大致確定施工成本。

2.2 試驗原理

現(xiàn)場試驗系統(tǒng)主要包括循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和輔助設(shè)備。循環(huán)系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)水在地下埋管換熱器與測量儀中的循環(huán)流動，以及循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)。加熱部分主要用于加熱循環(huán)水，使循環(huán)水在地層中散失的熱量得到補充。加熱器以恒定熱功率對水箱內(nèi)的水加熱，加熱后的循環(huán)水以恒定的流量進入地下?lián)Q熱器，與周圍土壤換熱，加熱器開始加熱的同時開始計時，以一定時間間隔記錄地下?lián)Q熱器的出入口水溫，并以其確定進出口水溫平均值與埋管單位埋深換熱量。

2.3 熱響應(yīng)試驗方案

整個熱響應(yīng)試驗包括3 個階段：①試驗孔打孔安裝，包括：試驗孔打孔、埋管試壓、下管及回填；②試驗試驗臺的連接、調(diào)試和試驗開展；③試驗結(jié)果分析與整理。

本項目巖土體初始平均溫度測試擬采用無負荷循環(huán)法；巖土體換熱測試擬采用穩(wěn)定熱流測試，具體技術(shù)要求滿足規(guī)范要求。

2.4 試驗井技術(shù)參數(shù)

本試驗項目設(shè)1 個試驗井（孔），相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1同軸深井換熱器結(jié)構(gòu)。

表1 同軸深井換熱器結(jié)構(gòu)

由表1 可知，鉆孔直徑?jīng)Q定試驗井（孔）的開口大小，影響施工過程中的鉆進速度、鉆頭選擇等?？咨顩Q定了驗井（孔）的探測深度，需要根據(jù)地質(zhì)條件、試驗?zāi)康牡纫蛩貋磉x擇合適的孔深。外管直徑/壁厚決定換熱器的結(jié)構(gòu)強度和耐壓能力。內(nèi)管直徑/壁厚決定換熱器的換熱性能和流體流動特性。通過這些參數(shù)，可以了解同軸深井換熱器試驗井（孔）的基本結(jié)構(gòu)和尺寸，為設(shè)計和優(yōu)化換熱器系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

2.5 熱響應(yīng)試驗裝置

試驗裝置采用一套基于地下埋管現(xiàn)場熱響應(yīng)原理的試驗系統(tǒng)，可以完成不同進口溫度下的熱響應(yīng)試驗及地下巖土熱物性的試驗。試驗裝置可根據(jù)具體試驗需要設(shè)定埋管進口溫度、靈活調(diào)節(jié)循環(huán)流量及所需要的加熱功率，裝置水平放置于試驗現(xiàn)場，并通過保溫管道與試驗井埋管進出口連接，從而構(gòu)成循環(huán)試驗系統(tǒng)。溫度傳感器采用高精度PT100 鉑電阻，并通過溫度采集儀進行實時采集與儲存。

3 試驗數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 土壤初始平均溫度

試驗開始前連接試驗孔與地上試驗裝置循環(huán)水管道進出口，并用絕熱材料做好外露管道絕熱保護工作。在加熱器投入運行前開啟循環(huán)水泵，并用高精度溫度傳感器測得換熱器中與土壤進行過充分熱交換的水溫，此水的溫度即可認為是土壤原始平均溫度。采用此方法現(xiàn)場無負荷試驗運行共計16h，從第1h 開始地埋管出水溫度連續(xù)變化＜0.5℃，持續(xù)時間至第16h。最終得到埋管場區(qū)土壤初始平均溫度為16.7℃。

3.2 土壤熱物性

對于地源熱泵而言，其換熱器設(shè)計所需的地下土壤熱物性參數(shù)除土壤初始溫度以外，主要包括土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)、土壤容積比熱容及鉆孔熱阻。另外，通過試驗也可直接得到反映換熱器與周圍土壤傳熱特性的換熱器綜合傳熱系數(shù)。由于地下土壤熱物性參數(shù)只能根據(jù)傳熱學(xué)理論，通過測量熱流與溫度，應(yīng)用傅立葉導(dǎo)熱定律，通過一定的傳熱模型，采用傳熱反問題進行求解。

地下土壤熱物性試驗在試驗孔上完成，采用恒熱流法進行試驗，數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)定為20min，平均循環(huán)流量為4m3/h。根據(jù)對熱物性試驗孔實測數(shù)據(jù)進行整理，可以得到一個清晰的圖表，該圖表反映了地下土壤的熱物性參數(shù)隨時間和流量變化的情況。通過這個圖表，可以更深入地理解土壤的熱傳導(dǎo)特性，為后續(xù)的熱傳導(dǎo)模型建立和傳熱反問題求解提供重要依據(jù)。具體見圖1。

圖1 進出口流體平均溫度隨試驗時間的變化

由圖1 可知，隨著試驗時間的增加，進口流體溫度和出口流體溫度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，從試驗開始到試驗進行8h 時，進水溫度從19℃升高到25℃，回水溫度從16.5 升高到21.5℃。這是由于試驗過程中，熱源不斷向地下土壤傳遞熱量，導(dǎo)致土壤溫度升高，從而使得進出口流體的溫度也隨之升高。在試驗初期，進口流體平均溫度可能上升較快，而出口流體平均溫度上升較慢。隨著試驗的進行，這種差異可能會逐漸減小，兩者的變化速率趨于一致。同時，進出口流體平均溫度之間存在一定的溫差，這可能是由于土壤對熱量的傳導(dǎo)和儲存導(dǎo)致的。隨著試驗時間的增加，這種溫差可能會逐漸減小，表明土壤對熱量的傳導(dǎo)和儲存能力可能減弱。故在試驗過程中，需要密切關(guān)注進出口流體平均溫度的變化情況以及之間的關(guān)系，為后續(xù)傳熱反問題求解提供重要依據(jù)。

3.3 換熱器換熱能力分析

3.3.1 換熱器釋熱工況

采用地源熱泵專用地下巖土熱物性計算程序處理，給出釋熱工況下，巖土體溫度為初始溫度16.7～40℃不同工況下，不同的埋管進出口循環(huán)液平均溫度對應(yīng)的各運行份額下單位埋深延米釋熱量變化曲線。

3.3.2 換熱器吸熱工況

隨著過渡季節(jié)的儲熱，巖土體的溫度逐漸升高，在冬季工況下，使用地源熱泵主機進行供暖運行，采用地源熱泵專用地下巖土熱物性計算程序處理，給出在地源熱泵主機平均溫度為5～15℃不同工況下，不同的巖土體初始溫度對應(yīng)的各運行份額下單位埋管延米吸熱量變化曲線，其中地源熱泵主機平均溫度5℃、7.5℃的吸熱量變化曲線見圖2、圖3。

圖2 吸熱量變化曲線（5℃）

圖3 吸熱量變化曲線（7.5℃）

3.3.3 換熱器換熱能力分析

從測試數(shù)據(jù)分析可知，在巖土體溫度及循環(huán)液平均溫度相同的情況下，隨著運行份額的增加，單位延米釋熱量是減少的。在巖土體溫度及運行份額相同的情況下，隨著循環(huán)液平均溫度的增加，單位延米釋熱量呈線性增加。上述運行份額是針對空調(diào)運行的工況而言的，且如果是在空調(diào)運行工況下，一般循環(huán)介質(zhì)的平均溫度僅分析至36℃左右，但本項目為電廠余熱儲熱工況，故循環(huán)介質(zhì)的平均溫度給到80℃供參考。在循環(huán)液平均溫度及運行份額相同的情況下，隨著巖土體溫度的持續(xù)上升，單位延米釋熱量呈下降。場區(qū)內(nèi)的余熱是通過換熱器排放給大地巖土體，實際上地下?lián)Q熱器與巖土體的換熱狀態(tài)是一種不穩(wěn)定傳熱。熱量的排放是以換熱器為中心逐漸向周圍巖土擴散。隨著排放總量的增加，熱量大量聚集在換熱器井群附近的巖土體中，熱量的擴散逐漸緩慢，地下?lián)Q熱器換熱能力是持續(xù)衰減的。地表土層是能吸收、儲存和以任何方向輸送水分的多孔介質(zhì)，在豎直方向上，以地下水為界，可分為不同的巖土含水帶。實際換熱過程中，也需要考慮滲流對地埋管換熱性能的影響，但實際工程中很難獲得滲流速度和滲流方向等原位測試參數(shù)，工程上一般將其作為有利因素考慮[4]；但是對于余熱跨季節(jié)存儲實則不然。滲流對地埋管換熱性能的影響程度，不僅與滲流層自身的特性有關(guān)（比如滲流速度、滲流水溫、滲流方向以及滲流層巖土孔隙率等），滲流層在埋管豎直方向上所在的特性如滲流層的厚度以及滲流所在的標高也產(chǎn)生影響?？紤]滲流對地埋管換熱性能的影響程度，對于場地地下水滲流建議采用攔截措施，對地下滲流層進行類似于基坑施工的止水措施，減少熱量的流失，從而提高地埋管的儲熱效率。

因此，對于單位延米釋熱量取值，應(yīng)針對余熱儲熱的供回循環(huán)介質(zhì)的平均溫度、運行時間、實際滲流條件等諸多因素參考使用。

從測試數(shù)據(jù)分析可知，在巖土體溫度及地源熱泵主機進出水平均溫度相同的情況下，隨著運行份額的增加，單位延米吸熱量是減少的。在巖土體溫度及運行份額相同的情況下，隨著地源熱泵主機進出水平均溫度的增加，單位延米吸熱量呈線性減少。例如25%工況下，主機進出水平均溫度每增加1℃，吸熱量減少4.4～4.5W/m。本文僅分析5～15℃的進出水工況，其中7～8℃地源熱泵主機標準運行工況下的數(shù)據(jù)可作為設(shè)計參考取值。在地源熱泵主機進出水平均溫度及運行份額相同的情況下，隨著巖土體溫度的增加，單位延米吸熱量呈線性增加；例如25%工況下，巖土體溫度每增加1℃，吸熱量增加4.4～4.5W/m。

對于冬季吸熱工況，本工程不同于常規(guī)同軸深井空調(diào)供熱工況。常規(guī)空調(diào)供熱工況是基于巖土體冬夏冷熱平衡條件下，冬季的巖土體溫度在經(jīng)歷一個制冷周期釋熱工況下巖土體的溫度趨于或略高于巖土體的原始溫度（與建筑物的冷熱負荷有關(guān)）。但本項目是利用夏季及過渡季儲存的余熱進行冬季吸熱然后應(yīng)用于建筑物的供暖，因而本工程分析的是高于巖土體初始溫度下的吸熱量，圖2、圖3分析的溫度是到55℃，實際巖土體的到冬季儲存余熱的溫度受到諸多因素的影響，可能達不到55℃。并且隨著冬季取熱運行時間的延長、建筑物累計取熱負荷的加大等影響，巖土體的溫度會逐漸減低。因而建議在場區(qū)地埋管換熱器邊緣不利位置設(shè)置地埋管換熱器溫度監(jiān)測裝置，根據(jù)初期投入使用后的若干年實時觀察，真實地掌握該場區(qū)內(nèi)地埋管的溫度變化動態(tài)，總結(jié)出實際的應(yīng)用效果。

因此，對于單位延米吸熱量取值，應(yīng)針對余熱儲熱后巖土體的初始溫度、地源熱泵主機運行工況、運行時間、建筑物的用熱負荷需求、實際滲流條件等諸多因素參考使用。

4 結(jié)論及合理化建議

本文通過對儲能同軸深井換熱器的巖土熱響應(yīng)試驗及換熱性能分析，得出儲能同軸深井換熱器具有較高的換熱性能，能夠有效地實現(xiàn)夏季余熱的儲存和冬季的供暖。試驗獲得了土壤初始平均溫度和土壤熱物性等實驗數(shù)據(jù)，為換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)。換熱能力分析表明，單位延米釋熱量和吸熱量隨著運行份額的增加而減少，隨著循環(huán)液平均溫度的增加而增加。項目所在地場區(qū)內(nèi)0～300m 深度范圍內(nèi)巖土體初始平均溫度為16.7℃，地下巖土熱物性參數(shù)如下：等效導(dǎo)熱系數(shù)為1.97W/（m·K），等效容積比熱容為2655kJ/（m3·K），單位長度鉆孔熱阻為0.353（m·K）/W。為提高換熱器的換熱效率和穩(wěn)定性，滿足不同工況下的需求，建議在換熱器邊緣不利位置設(shè)置地埋管換熱器溫度監(jiān)測裝置，并實時觀察地埋管的溫度變化動態(tài)，掌握實際應(yīng)用效果。同時，加強對巖土體熱物性參數(shù)的測試和分析，為換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供更準確的數(shù)據(jù)支持?？紤]滲流對地埋管換熱性能的影響，采取攔截措施，以減少熱量的流失，提高地埋管的儲熱效率。