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U型深埋管建筑供暖不同埋深换热性能原位实验
发布时间：2019-05-18 来源：未知 点击次数： 打印 作者：admin
U型深埋管建筑供暖不同埋深换热性能原位实验
周聪 1 ,吕俊 1，张育平 2，官燕玲3 ，
（1.陕西中煤新能源有限公司，陕西 西安 710054；2. 国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；3.长安大学建筑工程学院, 陕西 西安 710054；）摘 要：在西安某厂区深层地热对接井安装了埋深大于2000 m且深度不同的两个竖向U型深埋管换热系统，应用原位实验的方法进行了换热特性的研究。实验条件为埋管进水温度和水流率基本恒定，实时检测埋管的出水温度。通过埋管进、出水温差及流率得到埋管在实验条件下的综合换热强度。通过不同深度地热井的试验，表明埋管深度的增加对换热强度的影响很大。
关键词：U型深埋管; 换热性能; 原位实验; 埋管深度; 中深层地热能; 建筑供暖
In-situ Experiments on Different Heat Transfer Characteristics in Vertical Deep-Buried U-Bend Pipe for Building Heat Supply
ZHOU Cong1★, ZHANG Yuping2,4, ZHU yuchen1▲,GUAN Yanling3, WANG Xing4 and XUN Yingjiu1
(1. Shaanxi Zhongmei New Energy Co., Ltd., Xi'an 710054, China; 2. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources, Xi′an 710021; 3. School of Civil Engineering, Chang'an University, Xi'an 710054,China; 4.Shaanxi Coal Geology Group Co., Ltd., Xi′an 710021,China)
Abstract: A heat transfer system with two vertical deep-buried U-bend pipes at a buried depth of >2000 m was installed on a drilled hole in one factory in Xi’an, In-situ experiments was used to conduct the heat transfer characteristics study. The condition for the experiment is that the inlet temperature and water flow rate in the deep-buried pipe are basically constant and the inlet and the real-time outlet water temperatures of the buried pipe were measured. Through the analysis on the inlet and temperature difference and water flow rate in the deep-buried pipe, the comprehensive heat transfer intensities were obtained in the experimental condition. By use of tests in different holes, it shows that the increase of depth of buried pipe greatly affects the heat transfer intensity.
Keywords: vertical deep-buriedU-bend pipe; heat transfer characteristics;In-situ experiments; buried pipe depth; medium to deep geothermal energy; supply heat to building
0引言
地热能是清洁环保可再生能源，资源储量大、分布广。地热能来源于地球外部和地球内部，其中，由于地核的作用，地球内部是主要的热能来源，岩土向下越深温度越高。近年来，在西安出现了深埋管建筑供暖应用项目，竖向埋管深度超过2000m，这个深度的岩土温度可达70 °C以上，因此对于同样的取热量，深埋管换热系统相对浅埋管换热系统（土壤源热泵埋管深度一般在100m至150m之间）所需的埋管占地面积会大大减小，因此该项技术一经出现，受到高度关注。
无论浅层地埋管或是深层地埋管，地埋管换热器是整个换热系统中最重要的组成部分。对于浅层地埋管换热器传热特性的研究一直备受关注[1-3]，相关的理论已较成熟。与浅层地埋管不同的是，深层地埋管[4]上下温度以及岩土热物性参数变化很大，很难将问题简化为温度上下一致和岩层结构上下均匀的均质场问题，因此不能将浅层埋管换热理论直接用于深埋管。本文针对不同埋深的两个竖向U型深埋管，采用原位试验的方法[5]，探索深埋管的换热性能。
1 深埋管实验系统
原位实验平台设置在西安市一个在建项目的厂区内，该区内有水井，涌水量稳定，可以作为埋管进水水源，其水温基本恒定。实验中，温度和流率基本稳定的水流进入深埋管，沿途吸收岩土的热，埋管出口水温升高。通过埋管进、出水的温差以及流率可以得到埋管综合换热强度。
1.1 岩土热物性参数以及初始条件、边界条件
本热泵施工地处于北郊尚稷路与草滩三路十字东南角，位于西安市经济技术开发区。地貌单元为渭河河漫滩以上一级阶地[6]，地面标高370.20-372.33m。为新生界第四系上全新统(Q4-2al)冲积含砾中细砂、中粗砂及砂砾卵石层，亚砂土、粉质土层。厚度9.15-52.41m。南部二级阶地区为下全新统冲积层(Q41al)，由棕黄、黄褐、黄白色的亚粘土、亚砂土、粉细沙，中、粗砂含砾卵石层，厚度可达数百米。渭河北岸及市区以南为上更新统风积黄土(Q3eol)，由淡黄色色、黄白色的黄土、亚砂土组成，具有垂直节理，含蜗牛化石，底部有灰白色钙质结核层。
钻井钻经地层自下而上有：新生界新近系上新统蓝田灞河组(N2l+b)、张家坡组(N2z)、第四系下更新统三门组(Q1s)、中更新统-全新统秦川群(Q2-4qc)。查阅相关文献可知，渭河一级阶地的恒温层在地表以下10 m，恒温层温度为15～15.5°C，地下20～120 m内地温梯度为2.9e-2°C/m。西安市区及近郊区200米深的地温，一般都低于21°C。根据专业测井部门测井，得到“热1井”土壤恒温层以上0～20m深的温度为15°C，钻井底2100m处温度为70.29°C，“热2井”初始岩土温度参照“热1井”设置。
地热能是清洁环保可再生能源，资源储量大、分布广。地热能来源于地球外部和地球内部，其中，由于地核的作用，地球内部是主要的热能来源，岩土向下越深温度越高。近年来，在西安出现了深埋管建筑供暖应用项目，竖向埋管深度超过2000m，这个深度的岩土温度可达70 °C以上，因此对于同样的取热量，深埋管换热系统相对浅埋管换热系统（土壤源热泵埋管深度一般在100m至150m之间）所需的埋管占地面积会大大减小，因此该项技术一经出现，受到高度关注。
无论浅层地埋管或是深层地埋管，地埋管换热器是整个换热系统中最重要的组成部分。对于浅层地埋管换热器传热特性的研究一直备受关注[1-3]，相关的理论已较成熟。与浅层地埋管不同的是，深层地埋管[4]上下温度以及岩土热物性参数变化很大，很难将问题简化为温度上下一致和岩层结构上下均匀的均质场问题，因此不能将浅层埋管换热理论直接用于深埋管。本文针对不同埋深的两个竖向U型深埋管，采用原位试验的方法[5]，探索深埋管的换热性能。
1 深埋管实验系统
原位实验平台设置在西安市一个在建项目的厂区内，该区内有水井，涌水量稳定，可以作为埋管进水水源，其水温基本恒定。实验中，温度和流率基本稳定的水流进入深埋管，沿途吸收岩土的热，埋管出口水温升高。通过埋管进、出水的温差以及流率可以得到埋管综合换热强度。
1.1 岩土热物性参数以及初始条件、边界条件
本热泵施工地处于北郊尚稷路与草滩三路十字东南角，位于西安市经济技术开发区。地貌单元为渭河河漫滩以上一级阶地[6]，地面标高370.20-372.33m。为新生界第四系上全新统(Q4-2al)冲积含砾中细砂、中粗砂及砂砾卵石层，亚砂土、粉质土层。厚度9.15-52.41m。南部二级阶地区为下全新统冲积层(Q41al)，由棕黄、黄褐、黄白色的亚粘土、亚砂土、粉细沙，中、粗砂含砾卵石层，厚度可达数百米。渭河北岸及市区以南为上更新统风积黄土(Q3eol)，由淡黄色色、黄白色的黄土、亚砂土组成，具有垂直节理，含蜗牛化石，底部有灰白色钙质结核层。
钻井钻经地层自下而上有：新生界新近系上新统蓝田灞河组(N2l+b)、张家坡组(N2z)、第四系下更新统三门组(Q1s)、中更新统-全新统秦川群(Q2-4qc)。查阅相关文献可知，渭河一级阶地的恒温层在地表以下10 m，恒温层温度为15～15.5°C，地下20～120 m内地温梯度为2.9e-2°C/m。西安市区及近郊区200米深的地温，一般都低于21°C。根据专业测井部门测井，得到“热1井”土壤恒温层以上0～20m深的温度为15°C，钻井底2100m处温度为70.29°C，“热2井”初始岩土温度参照“热1井”设置。
本研究先对钻井的取样岩芯进行测量，确定岩土热物性参数,主要是岩土的密度、导热系数、热扩散系数和比热容等参数。
对“热1井”深度在2012m和2018m，“热2井”深度大于2100m的岩土热物性进行了测试试验。得到试验段岩土的热物性参数，如表1所示。
表1 试验段岩土热物性参数
“热2井”与“热1井”位于同一项目地，故“热2井”的数据资料主要是参照“热1井”。
1.2 埋管几何尺寸
埋管形状见图1，图中HX为埋深。两个U型深埋管埋深不同，H1=2100m称为“热1井”、H2=2500 m称为“热2井”。
图1 U型深埋管剖面示意图
Fig.1 Sectional diagram of deep-buried U-bend pipe
两种埋深的U型深埋管都由直井和对接井两部分组成，在埋管与井壁之间用水泥固井，形成水泥固井层，保证钻孔内各个层位的地下水不串层，避免地下水质污染。直井为出水井，临近地面有h米的保温段，其中“热1井”为350 m，“热2井”为700 m，保温材料为40 mm聚氨酯。对接井为进水井，无保温段。直井保温段固井外径
为444.5 mm，非保温段直径
为215.9 mm，对接井固井外径
为215.9 mm。直井和对接井的埋管均为石油钢管，
和
规格分别为
和
，两井水平间距S均为205 m，相对位置如图2所示。
1.3 实验管路系统及检测系统
图2 两个U型对接井的相对位置示意图
Fig.2 Relative position diagram of two deep-buried U-bend butted wells
实验管路系统和检测系统如图3所示。管路系统，除了埋管，在地面上有一个进水管和一个出水管。进水管由潜水泵抽引水井的水引入埋管进口，潜水泵的扬程要克服水流动全程的阻力。出水管将埋管中的水引出，排入无压排水管道。
图3 实验管路系统和检测系统
Fig. 3 Experimental pipe system and detection system
在实验中，以水作为换热介质，通过循环管路提取地下热量，通过水泵的变频来控制水流量；在进、出水管上检测水的温度、流量、压力。见图3，出水管和进水管各设一个lks350电磁流量传感器，精度为0.5%，在电磁流量传感器前后分别装有pt100温度传感器，精度为0.2 °C。进出口压力检测采用压力表。实验用水泵型号为250QJ100-108，电机功率45KW，扬程108 m。其中，“热1井”实验现场如图4所示。对温度、流率实时监测，采集系统为组态王，最小采集时间设为0.2 s。数据采集界面见图5。
实验中，实时监测埋管进水温度、流率以及经岩土加热后埋管的出水温度，从而计算出实验条件下的埋管综合换热强度。
图4 实验现场及测试仪器A)出水井温度传感器；B)进水井温度传感器；C)电磁流量计
Fig. 4 Experimental site and test equipment. A) temperature sensor of outlet well, B) temperature sensor of inlet well, and
C) electromagnetic flow meter
对“热1井”深度在2012m和2018m，“热2井”深度大于2100m的岩土热物性进行了测试试验。得到试验段岩土的热物性参数，如表1所示。
表1 试验段岩土热物性参数
| 岩性 | 密度（kg/m3） | 导热系数W/(m• K) | 热扩散系数（mm2/s） | 比热容（kj/kg·k） |
| 泥岩 | 2027 | 1.823 | 0.818 | 1100 |
| 细砂岩 | 1870.25 | 1.697 | 0.853 | 1060 |
1.2 埋管几何尺寸
埋管形状见图1，图中HX为埋深。两个U型深埋管埋深不同，H1=2100m称为“热1井”、H2=2500 m称为“热2井”。
图1 U型深埋管剖面示意图
Fig.1 Sectional diagram of deep-buried U-bend pipe
两种埋深的U型深埋管都由直井和对接井两部分组成，在埋管与井壁之间用水泥固井，形成水泥固井层，保证钻孔内各个层位的地下水不串层，避免地下水质污染。直井为出水井，临近地面有h米的保温段，其中“热1井”为350 m，“热2井”为700 m，保温材料为40 mm聚氨酯。对接井为进水井，无保温段。直井保温段固井外径
为444.5 mm，非保温段直径为215.9 mm，对接井固井外径为215.9 mm。直井和对接井的埋管均为石油钢管，和规格分别为和，两井水平间距S均为205 m，相对位置如图2所示。1.3 实验管路系统及检测系统
图2 两个U型对接井的相对位置示意图
 |
实验管路系统和检测系统如图3所示。管路系统，除了埋管，在地面上有一个进水管和一个出水管。进水管由潜水泵抽引水井的水引入埋管进口，潜水泵的扬程要克服水流动全程的阻力。出水管将埋管中的水引出，排入无压排水管道。
图3 实验管路系统和检测系统
Fig. 3 Experimental pipe system and detection system
在实验中，以水作为换热介质，通过循环管路提取地下热量，通过水泵的变频来控制水流量；在进、出水管上检测水的温度、流量、压力。见图3，出水管和进水管各设一个lks350电磁流量传感器，精度为0.5%，在电磁流量传感器前后分别装有pt100温度传感器，精度为0.2 °C。进出口压力检测采用压力表。实验用水泵型号为250QJ100-108，电机功率45KW，扬程108 m。其中，“热1井”实验现场如图4所示。对温度、流率实时监测，采集系统为组态王，最小采集时间设为0.2 s。数据采集界面见图5。
实验中，实时监测埋管进水温度、流率以及经岩土加热后埋管的出水温度，从而计算出实验条件下的埋管综合换热强度。
图4 实验现场及测试仪器A)出水井温度传感器；B)进水井温度传感器；C)电磁流量计
Fig. 4 Experimental site and test equipment. A) temperature sensor of outlet well, B) temperature sensor of inlet well, and
C) electromagnetic flow meter
图5 实验系统数据监测界面
Fig. 5 Data monitoring interface in the experimental system
2实验结果及对比
根据工程施工已钻探两口中深层地热能井：热1井和热2井。两口井尺寸如下表2所示。
表2 两口井尺寸
| 名称 | 条件 | 尺寸 |
| “热1井” | 土壤(R×H1) | 30 m×2100 m |
| “热2井” | 土壤(R×H2) | 30 m×2505 m |
| 两井间距 | S | 205 m |
| U型管 |
进水管（ ） |
139.7×9.17 mm |
出水管（ ） |
177.8×8.05 mm | |
| 固井外径 |
 |
215.9 mm |
针对两种埋深的U型深埋管，试验条件均为连续运行72 h，“热1井”保持进水温度稳定在19.5°C左右，流量稳定在40.5m3/h左右；“热2井”保持进水温度稳定在19.5 °C左右，流量稳定在46.5 m3/h左右。
2.1 实验结果
“热1井”实验从2016年11月29日9时开始，到12月2日9时结束，共72 h；“热2井”实验从2017年2月28日10时开始，到3月3日10时结束，共72 h。温度及流量的检测时间步长为0.2 s，整理检测结果见表3、表4。其中进、出口温度分别为各自两个温度传感器同时刻的平均值。流率为进、出口两个流量传感器瞬时流率的平均值。根据实验的进出口温差和流率，由公式（1）可以计算出实验条件下的实时换热强度。
式中，Q为换热强度，W；c为水的比热容，J/(kg• K)；G为流率，kg/s；Δt为埋管进、出口水温差值，K。
表3 “热1井”连续运行实验结果（部分）
Table 1 Continuous running experimental results of G-well 1 (part)
表4 “热2井”连续运行实验结果（部分）
Table 2 Continuous running experimental results of G-well 2 (part)
（a）“热1井”实验进出、口水温 （b）“热2井”实验进出、口水温
图6两种深度埋管连续运行的进、出口水温
Fig. 6 Inlet and outlet water temperatures of two kinds of deep-buried pipes under continuous operation
Table 1 Continuous running experimental results of G-well 1 (part)
| 时间（h） | 4 | 8 | 12 | 16 | 56 | 60 | 64 | 68 | 72 |
| 进口温度（℃） | 19.55 | 19.55 | 19.40 | 19.35 | 19.65 | 19.65 | 19.50 | 19.40 | 19.25 |
| 出口温度（℃） | 44.10 | 35.00 | 32.85 | 31.95 | 29.85 | 29.85 | 29.65 | 29.55 | 29.45 |
| 流率（kg/s） | 13.083 | 12.097 | 11.167 | 11.528 | 11.236 | 11.306 | 11.250 | 11.264 | 11.236 |
| 换热强度（MW） | 1.3439 | 0.7820 | 0.6284 | 0.6077 | 0.4795 | 0.4825 | 0.4778 | 0.4784 | 0.4795 |
Table 2 Continuous running experimental results of G-well 2 (part)
| 时间（h） | 4 | 8 | 12 | 16 | 56 | 60 | 64 | 68 | 72 |
| 进口温度（℃） | 19.85 | 19.75 | 19.55 | 19.30 | 19.90 | 19.55 | 19.45 | 19.45 | 19.50 |
| 出口温度（℃） | 49.55 | 41.50 | 38.75 | 37.20 | 33.50 | 33.20 | 33.00 | 32.90 | 32.80 |
| 流率（kg/s） | 11.847 | 12.583 | 12.792 | 12.431 | 13.194 | 13.069 | 13.083 | 13.014 | 13.111 |
| 换热强度（MW） | 1.4778 | 1.1495 | 1.0315 | 0.9345 | 0.7537 | 0.7493 | 0.7446 | 0.7352 | 0.7324 |
（a）“热1井”实验进出、口水温 （b）“热2井”实验进出、口水温
图6两种深度埋管连续运行的进、出口水温
Fig. 6 Inlet and outlet water temperatures of two kinds of deep-buried pipes under continuous operation
整理实验数据，分别绘制“热1井”和“热2井”连续运行时的进、出口温度随时间的变化曲线，如图6所示。
从表3、表4和图6可以看到，在实验条件下连续运行时，进水温度基本稳定；埋管出口水温一开始降低很快，这是因为在开始运行之前，管中水的温度与周围岩土的温度基本相同，最深处大于70 °C；在随后运行中，温度降低速度缓慢下来。由于进水温度不变，出水温度的降低，说明随着运行，埋管的换热强度逐渐在减小。在72h时刻，“热1井”出水温度为29.45°C，换热强度为0.4795MW左右，“热2井”出水温度为32.80 °C，换热强度为0.7324 MW
从表3、表4和图6可以看到，在实验条件下连续运行时，进水温度基本稳定；埋管出口水温一开始降低很快，这是因为在开始运行之前，管中水的温度与周围岩土的温度基本相同，最深处大于70 °C；在随后运行中，温度降低速度缓慢下来。由于进水温度不变，出水温度的降低，说明随着运行，埋管的换热强度逐渐在减小。在72h时刻，“热1井”出水温度为29.45°C，换热强度为0.4795MW左右，“热2井”出水温度为32.80 °C，换热强度为0.7324 MW
2.2 两种埋深的深埋管在实验条件下的换热强度比较
图7 两种埋深的埋管在实验条件下的换热强度比较
Fig. 7 Comparison between the heat exchange intensities of two kinds of buried pipes under the experimental conditions
根据表3和表4中实验条件下的实时换热强度，对埋管深度为2100m的“热1井”和埋管深度为2505m的“热2井”在两种实验条件下埋管实时换热强度进行了绘图比较，见图7。可以看到，两个井的换热强度的变化趋势基本相同，在一开始下降很快，在系统运行约10小时以后下降速度变缓，运行30个小时后接近于水平，运行到60h和72h，“热1井”、“热2井”的换热强度分别为0.4825MW、0.4795MW以及0.7493MW、0.7324MW，前后分别只降低了0.003MW和0.0169 MW；从换热强度随时间的变化来看，两个井的换热强度之间基本为等距变化。
2500m深的“热2井”与2100m深的“热1井”埋深相差400m（总埋管长度相差810m），即“热2井”的埋深相对于“热1井”增加了19.28%；从实验结果看到，埋管换热强度“热2井”比“热1井”大了0.2529MW，即“热2井”的换热强度相对于“热1井”增加了52.7%。
结合深埋井的几何尺寸（总长度），得到“热1井”和“热2井”实验工况下的埋管单位延米换热强度在实验最后时刻分别为111.19W/m、140.43W/m；用“热2井”增加的换热强度除以增加的深度，可以得到“热2井”相对于“热1井”埋深每增加1米时，对应增加的换热强度为312.22 W/m。
由于两个深埋管除深度外的其他几何参数均相同，因此两个深埋管的换热强度差异全部来源于埋管深度的差异。由以上数据可见，对于深埋管而言，埋管深度的增加对换热强度的影响很大。
3结语
本文在西安某厂区深层地热对接井安装了两个埋管深度大于2000m且深度不同的地热能建筑供暖竖向U型深埋管换热系统，应用原位实验的方法进行了换热特性的研究。对两个埋管换热系统分别进行了72个小时的实验检测，实验数据表明：
（1）埋管换热强度随着运行在减小，开始下降很快，逐渐趋缓，且两个埋深度的变化趋势基本相同；
（2）在实验条件下，运行到72h时，埋深2100m的换热强度为0.4795MW，埋深为2500m的换热强度为0.7324 MW；
（3）“热2井”比“热1井”埋深增加了19.28%，换热强度却增加了52.7%，表明埋管深度的增加对换热强度的影响很大。
参考文献:[1] D. Pahud , B. Matthey , Comparison of the thermal performance of double U pipe borehole heat exchangers measured in situ, Energy Build. 33 (5) (2001) 503–507 .
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[3] S. Gehlin , Thermal Response Test: In Situ Measurements of Thermal Properties in Hard Rock Licentiate thesis, Lulea University of Technology, Sweden, 1998 .
[4] 王德敬.中深层套管式地埋管换热器性能的参数分析[J].区域供热,2018.(3).
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[6] 王兴.渭北岩溶水及其开发的环境地质效应[M].陕西:陕西科学技术出版社,2017.
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