1、第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：刘硕基金项目：河北省重点研发计划项目“中深层地热型井“取热不取水”关键技术研究与示范”资助（编号：）第一作者简介：郭海明（），男，河北邯郸人，高级工程师，一级建造师，从事地热新能源应用技术研究与实践工作，：。引用格式：郭海明，吴军虎，胡平放，等 某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析 中国矿业，（）：，（）：文章编号：（）：某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析郭海明，吴军虎，胡平放，任虎俊，张静，李振兴（中国煤炭地质总局水文地质局，河北 邯郸 ；华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 ）摘要：中深层地热“取热不取水”技术是中深层地埋管地源热泵系
2、统的核心，是影响整个系统设计与性能的主要因素。为了更全面地认识中深层地埋管地源热泵系统性能，本文对位于陕西省某矿区的孔深为 的中深层地埋管地源热泵系统进行了测试，测试参数包括地下岩土层初始平均温度、地热井取热能力、热泵系统运行工况参数及系统冬季性能系数，获得了部分数据，并对结果进行了分析。通过分析可知，该地热井井 底 初 始 温 度 为 ，不 同 深 度 地 下 温 度 的 平 均 温 度 约 ；单 位 管 长 换 热 量 为 ，在供水温度为 ，采用散热片为末端，供暖部分负荷率约为 时，系统性能系数为 。本文研究可为中深层地埋管地源热泵系统设计及运行提供参考。关键词：中深层地埋管地源热泵系统；
3、井底初始温度；换热量；供水温度；性能系数中图分类号：；文献标识码：，（，；，）：“”，：；中 国 矿 业第 卷引言中深层地热能分布广泛，绿色环保，属于清洁低碳的可再生能源，可用于建筑供暖，在当今能源短缺的形势下引起了越来越多的关注。年国家发展和改革委员会等八部门联合印发的 关于促进地热能开发利用的若干意见 指出：“大力推进中深层地热能供暖。根据资源情况和市场需求，在京津冀、山西、山东、陕西、河南、青海等区域大力推进中深层地热能供暖。鼓励各地在进行资源评估、环境影响评价和经济性测算的基础上，根据实际情况选择 取热不耗水、完全同层回灌 或 密封式、井下换热 技术，最大程度减少对地下土壤、岩层和水体
4、的干扰”。中深层地埋管地源热泵系统属于“取热不取水”方式，目前已有少量研究与应用。等、等、等、左婷婷等通过数值模型对中深层地埋管传热性能及其影响因素进行了分析；王德敬等通过模拟研究，给出了中深层地埋管换热器名义取热量估算线图；李骥等 对西安市两个中深层地埋管供热项目进行了运行工况连续测试，分析了热源侧和用户侧的供热量、热泵机组效率、系统效率等关键指标；赵仕龙 分析了某中深层地热井的经济性；阳春等 介绍了河南省和陕西省两个中深层地埋管地源热泵在住宅小区的应用情况；赵阳 通过试验研究了同轴套管换热器中深层地热能采热系统换热效率和传热特性；邓杰文等 对个中深层地埋管项目进行了连续 以上的监测，得到了
5、单位管长换热量、系统能效、出水温度等参数，发现其单位长度取热量可达常规地源热泵系统的 倍。总体而言，目前对中深层地埋管地源热泵实际项目的测试资料较少，而对实际工程进行实验测试研究，获得更多有益资料，对指导该技术的推广应用很有必要。因此，本文对陕西省某中深层地热井地埋管项目进行了换热量及系统性能测试，获得了部分数据，以期为中深层地埋管地源热泵系统设计及运行提供参考。研究背景陕西省某矿区生活区、办公区和工业区的面积总计 万，原供暖方式为燃气锅炉，每年的燃气费超过 万元，供暖费用较高，且气源紧张。为响应国家节能减排政策，解决燃气供热费用较高问题，该矿区研究决定利用中深层地热清洁能源供暖，通过先行先试
6、建立示范项目，项目成熟后再逐步替代原燃气供暖系统。该项目采用单井同轴套管换热技术，通过地热井地源热泵供暖方式将住宅楼、住宅楼作为试点进行集中供暖，试点建筑物共 层，高，供暖面积约 万 。因建筑末端为铸铁暖气片，且供暖方式为上下串联，即热水从十一层入户，逐层串联至一层出户，供暖热水温度要求较高，最冷日供暖热水温度需要达到 以上。为了不改变末端供暖形式，决定采用高温热泵机组。该地热井直径为 ，井深 ，井底温度 ，是目前国内深度最深、井底温度最高的“取热不取水”地热井之一（图）。地面建立了自动化远程操控的高温热泵节能自控系统，能够满足建筑在极寒气候条件下进行供暖作业，同时应用高效换热装置及高导热固井
7、材料，有利于提高深井的换热效果。图中深层地埋管换热器结构图 中深层地埋管地源热泵系统 系统原理与试验流程）系统原理。该系统主要由单井同轴套管换热器、高温热泵机组、换热设备及附属设备组成。向岩层中钻进一定深度（，井底温度 ）的地热井，下入套管，采用高导热固井材料和固井工艺固井，并在井内安装高隔热性能的中心管组成单井同轴套管换热器。在地上循环泵的驱动下井下高温地热水从中心管内流出作为高温热泵机组的热源，利用热泵原理将能量转移与提升，使系统水达到建筑物采暖所需的供热温度（），从而稳定地向建筑物供暖，而地热井侧被提取温度降温后的冷却水再次通过中心管与套管间的环腔进入井下，经地层热储不断提取深层地热，再
8、经中心管流出，如此往复循环运行，实现中深层地热“取热不取水”，同时长期为建筑物供热。系统原理如图所示。）系统试验流程。动力柜主电源供电，机房设备、自控柜供电；打开监控软件，记录地面机房换热参数；启动定压补水装置向地热侧管路、二次侧管路、用户侧管路补水；依次启动用户循环泵、第期郭海明，等：某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析二次循环泵、地热循环泵及热泵机组；运行结束时，轻触“停机”按钮，热泵机组停机，二次循环泵和地热循环泵停止，用户循环泵停止。机房设备配置地热井同轴管换热机房相关设备及其型号参数见表。图系统原理图 表中深层地埋管地源热泵系统机房设备配置表 名称规格型号数量台备注高温热泵机组制热量
9、 ，输入功率 二次循环泵流量 ，扬 程 ，功率 一用一备用户循环泵流量，扬程，功率 一用一备地热循环泵流量 ，扬 程 ，功率 一用一备换热装置换热量 测试数据与结果分析 测试方法该项目中地热井为竖直井，井深长度 ，中心管入井总长度为 。为了获得地下平均温度、地热井取热能力和系统性能，进行了四种工况测试，具体如下所述。）岩土层初始平均温度测试工况：仅中深层地埋管回路循环运行，时间为 年月 日月 日（）。）取热能力测试工况：年月 日（），循环水用户侧阀门关闭，系统运行至循环水温达到设定值。）系统运行工况一：年月 日月日（），末端侧接通住宅楼（建筑面积 ，室内暖气片散热），系统带负荷运行。）系统运行
10、工况二：年月 日月 日（），末端侧接通住宅楼、住宅楼（建筑面积 万，室内暖气片散热），系统带负荷运行。岩土层静态初始温度分布通过专用测温仪测得地热井井底初始温度为 ，从地面到地下 的静态温度沿井深方向基本呈线性变化（图），平均温度为 。岩土层初始平均温度测试工况岩土层初始平均温度测试从 年月 日 点开始，到 年月 日 点结束，仅地埋管回路循环运行，运行 后，循环流体温度基本稳定。地热井水平均流量为，地热井供水温度随时间变化曲线如图所示。地热井供水温度稳定值为 ，该温度近似代表地热井的地下岩土平均温度。对比图可知，该平均温度与沿井深方向不同深度地下温度的平均温度近似相同。最大取热能力测试工况取热
11、能力测试采用末端系统无负荷运行方式，即关闭系统与负荷端连接管路阀门，开启内环路循环，启动机组全负荷运行，供水温度逐渐上升，至目标温度 时结束。运行，地热井水流量为，用户侧水流量 。在板式换热器（换热装置）与地热井循环回路端，设有电子三通调节阀，如果地热井流出的流体温度过高、流量较大，地热井的输出热量大于热泵机组蒸发器需求热量，则通过调节电子三通调节阀开度，使地热水直接旁通流回至中 国 矿 业第 卷地热井，在此过程中流经换热装置的水流量和温度不断波动，这也使得地热井回水温度波动较大。测量用户侧、地热井侧供回水温度，热功率、设备电功率等参数如图所示。图地热井地层初始温度曲线图 图单井循环工况地热井
12、供水温度变化曲线图 图取热能力测试工况用户侧、地热井侧供回水温度变化曲线图 由图可知，取热能力测试工况运转期间，热泵机组由逐渐加载至 ，直至用户侧供水温度达到目标温度后，热泵机组卸载停机。测试期间，用户侧供回水温度平稳上升至目标温度；地热井侧供水温度由 逐渐降低至，曲线无波动；为保证热泵机组稳定运行，蒸发侧进水温度稳定在 ，地热井侧回水温度呈规律性波动，波动幅度较大。热泵机组 运行时，用户侧热功率平均第期郭海明，等：某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析为 ，机房总功率为 ，地热井热功率平均为 ，单位管长换热量为 ，该数值可视为地热井在该供回水温度下的最大取热量。此时地热井侧供回水温度均较高，如
13、果进一步增大热泵的负荷，加大地热井侧供回水温差，其换热量会进一步增大。系统运行工况因测试时天气转暖，末端负荷减小，热泵机组（台压缩机）只启动运行了台压缩机。系统运行工况一：对住宅楼进行供暖作业，供热面积为 万，年月 日 点开始，年月日点结束，地热井水流量为，用户侧目标温度，运行时间 ；系统运行工况二：对住宅楼、住宅楼进行供暖作业，供热面积 万，年月 日开始，年月 日结束，运行时间 。因其他原因系统暂停运行后，开始测试系统运行工况二，保证了系统运行工况二测试过程的连续性，截取时间为系统出水温度为 时开始。系统运行工况一时，用户侧供回水温度、地热井侧供回水温度、瞬时流量、热功率等参数随时间变化情况
14、如图图所示。由图图可知，系统运行工况一测试期间热泵机组采用单压缩机运行，用户侧水流量平均为 ，用户侧供水温度基本稳定在 之间；地热井侧供水温度由 降低到，平均温度 ；由于用户侧负荷较小，热泵机组采用间歇式运行，停机次数较多，用户侧和地热井侧供回水温度、热功率呈规律性图系统运行工况一用户侧供回水温度变化曲线图 图系统运行工况一地热井侧供回水温度变化曲线图 中 国 矿 业第 卷波动，波动幅度较大；累计热量和电能呈比例稳定增长。运行测试期间，用户侧日热量、地热井侧日热量和设备日总电能较均衡。系统运行工况二时，选取 年月 日 年月 日的用户侧、地热井侧的供回水温度、热功率等参数，为保证系统测试准确性，
15、系统运行工况二的起始记录从出水温度为 时开始，其随时间变化曲线如图图 所示。由图图 可知，系统运行工况一测试期间热泵机组采用单压缩机运行，用户侧流量 ，地热井平均流量 ，地热井出水温度基本稳定在 ，地热井进水温度基本稳定在 ，由于用户侧负荷较小，热泵机组采用间歇式运行，用户侧供回水温度、地热井侧供回水温度均呈规律性波动，受测温点监测温度滞后影响，地热井热量波动幅度较大；运行测试期间，用户侧日热量、地热井侧日热量和设备日总电能较均衡。地热井系统参数分析根据地热井试运行结果，该中深层地埋管地源热泵系统运行参数见表（末端为铸铁暖气片）。初期测试时，热泵机组双机头全负荷运行，该中深层地埋管系统的单位管
16、长换热量为 ，处于 目 前 国 内 中 深 层 地 埋 管 系 统 中 的 较 高 水平，。带室内负荷全系统试运行 （系统运行工况一），热泵机组为单压缩机间歇式运行，换热参数呈规律性波动。地热井机房总功率 ，用户侧热功率 。系统平均综合能效比为 （此时系统部分负荷率约为）。初步分析系统末端为散热片，供水温度较高、负荷偏小等是能效比偏低的主要原因。由系统运行工况二测试可知，由于环境温度升高，室内负荷减小，地热井的供水温度变化不大，但回水温度有所提升。图系统运行工况一地热井热功率变化曲线图 图系统运行工况二用户侧供回水温度变化曲线图 第期郭海明，等：某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析图 系统运行工况二地热井侧供回水温度变化曲线图 图 系统运行工况二地热井热量变化曲线图 表中深层地埋管地源热泵系统运行参数分析 参数岩土层初始平均温度测试工况取热能力测试工况系统运行工况一系统运行工况二运行时间 年月 日 年月 日 年月 日 年月 日 年月日 年月 日 年月 日供暖面积万 运行时长 地热井平均流量（）用户侧平均流量（）地热井平均供水温度 地热井平均回水温度 用户侧平均供水温度 用户侧平均回水温
