中深层地热井下同轴换热器长期换热性能研究

中深层地热井下同轴换热器具有取热量大、出口水温高的特点,近年来受到供热行业的高度关注。目前的研究主要是对单个供热周期内的中深层地热井下同轴换热器的换热性能进行分析,缺乏对其长期换热性能的相关研究。本文根据中深层地热井下同轴换热器供暖季供热、非供暖季停歇运行的特点,基于能量守恒方程建立换热器的数值换热模型,并采用有限体积法对模型进行离散,通过Matlab平台数值分析其在长期运行过程中换热性能的变化规律。结果表明：换热器的换热性能随着运行年份逐渐下降,且下降程度逐年减小,最终达到准稳态。其中,次年平均换热量的下降比例最大,且换热器埋深越大,换热量的下降比例越小。埋深为2 000、2 500、3 000 m换热器的次年平均换热量的下降比例依次为4.00%,3.78%和3.56%,第30年的平均换热量较第1年分别下降13.7%、13.1%、12.4%。岩体温度逐年下降,其受干扰半径逐年增加。在30 a运行期间,埋深2 000 m的换热器在每年供热季结束时的岩体温度受干扰半径从13 m增加至105 m。此外,换热器深度越大,其周围岩体温度受干扰半径越大。本研究结果阐明了中深层地热井下同轴换热器在长期取热过程中换热性能的变化规律,对换热器长期取热的设计具有指导意义。     

螺旋叶片强化中深层地热同轴换热器换热性能数值模拟

为强化同轴换热器在中深层地热开发中的传热效果,提出一种螺旋叶片形式新型地热同轴换热器。通过建立内插不同间距(d=200、150、100 mm)螺旋叶片的换热器数值模型,模拟套管中换热流体特性。结果表明：在Re=4 500～11 500的湍流状态下,螺旋叶片作为扰流元件,通过改变流体的流动形态和热边界层厚度,可以有效强化换热器的单相对流换热效果,提高开采岩土体热量的能力。随着间距减小,强化换热效果进一步增强,努赛尔数(Nu)增大。当间距d=100 mm时,强化传热效果最好,综合换热能力最强,较光滑管的Nu提高了41.05%～44.18%,传热增强因子TEF为1.16,该工作为同轴套管换热器的优化设计提供了理论基础。     

西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。     

聊城市深层淡水环境问题与可持续利用

聊城市工业用水主要依赖地下水,随着经济的快速发展,需水量持续增加。但由于深水井分布密度过大、布局不合理且超量开采,导致深层淡水水位不断下降,形成多个漏斗区,水质恶化出水量减少等诸多水环境问题。通过分析,提出可持续开采利用的对策与建议。     

套管式地埋管换热器热短路及换热性能

套管式地埋管换热器是深层地源热泵系统常用的换热装置。基于流体流动换热方程,建立套管式地埋管换热器与周围岩体之间的传热模型。以第一个供暖季为例,分析内管导热系数和循环水流量对换热性能的影响,并引入换热器效能对热短路现象进行评估,研究结果显示：内管导热系数越大,热短路现象越显著;热短路使内外管中循环水温差降低,管内出现热堆积,导致换热器换热功率降低;套管式地埋管换热器的换热功率随循环水流量的增大逐渐增大;内外管之间存在热短路时,出口水温随循环水流量的增大先升高后降低,随着流量增大,换热器效能增大。研究成果可为深层地源热泵系统中地埋管换热器的设计提供借鉴。     

鄂尔多斯盆地南缘延安地区中深层地热能特征研究

近年来水热型、浅层地热能发展产生的缺点问题日益突出,以取热不取水为原则,中深层U型水平对接换热技术成为新的技术方向。通过对鄂尔多斯盆地南缘延安地区地层岩性、地温梯度特征、热储层特征等特征研究,分析了研究区中深层地热资源潜力,研究结果表明鄂尔多斯盆地南缘奥陶系马家沟组为良好的热传导型热储,深部地温梯度为3.05℃/100m。当马家沟组深度在3157m时,对应温度达到110.67℃。测井及注水试验结果表明,奥陶系马家沟组为极弱含水层,几乎没有流体,属于良好的干热岩型地热资源,具有较高的开采价值。充分确定了该区地热地质条件良好、地热资源潜力巨大。为合理、高效开发利用该区地热资源提供了科学依据,对进一步开发利用该区的地热能具有重要意义。     

关中地区中深层地埋管换热器长期运行性能研究

我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高陵区、西安市鄠邑区、西安市长安区5个典型区域的地质参数,结合典型地埋管结构参数,对长期运行下的换热器性能及热作用半径变化规律进行模拟计算。结果表明,不同地区换热器运行之初的性能变化较为显著,但均在经过5 a左右运行后趋于稳定。地埋管深度从2 000 m增至2 500 m时,出口水温有着明显的提升,同一时刻下出口水温的涨幅可达8%,各采暖季末的出口水温随深度增加的变化更为显著。由于长期运行,年平均取热功率呈现下降趋势,20 a内的总降幅为11%～12%;随着换热器埋深的增加,取热功率涨幅可达41.41%～53.23%。热作用半径受埋深的影响不显著,不同埋深管道运行20 a后的井底最大热作用半径均在50 m左右;土壤温度受与换热器距离及运行时长的影响更大,距离20 m以内的土壤温度呈现明显的波动下降趋势,而距离在60 m以外的土壤温度在20 a的运行期内降幅很小。此外,由于具...     

中深层套管换热器短期无干扰名义取热量计算解析方法

从地下传热基本原理出发,考虑地温梯度影响,建立了中深层套管换热器进出口流体平均温度解析解和长时间近似解,推导了中深层套管换热器短期无干扰名义取热量计算解析公式,并通过与文献中结果对比进行了验证。研究结果表明,中深层套管换热器短期无干扰名义取热量是地温梯度的线性函数。短期无干扰名义取热量计算解析公式简单实用,可以实现中深层套管换热器短期换热性能快速评价。     

吐哈盆地台北凹陷柯柯亚构造中深层储层特征及成因

通过薄片的镜下观察、扫描电镜、能谱分析和物性分析等手段的应用,对吐哈盆地北部斜坡柯柯亚构造中深层储层特征和成因进行了研究。结果表明,柯柯亚构造八道湾组储层几乎全部为碎屑岩,储层主要岩石类型为灰色、深灰色或灰黑色的中厚层状泥质粉砂岩、中-粗砂岩、含砾粗砂岩,普遍含大量碳屑。孔隙类型主要为粒内溶蚀孔和粒间剩余孔。成岩作用主要有压实作用、胶结作用和溶蚀作用。孔渗条件差,为特低孔特低渗类储层。沉积作用是特低孔特低渗储层发育的基础,成岩作用是中深层储层致密化的关键,粒度是储集性能的主控因素。     

中深层地热井换热特性多因素影响规律研究

积极推进中深层地热能供暖技术,是践行国家碳达峰碳中和“双碳”目标的重要举措。中深层同轴套管式换热系统可避免对地下水资源和环境造成损害,且影响要素之间存在着复杂的非线性相互作用。基于中深层同轴套管式换热器的理论分析和数学描述,建立地热井分层换热模型,并验证其可靠性;以陕西关中盆地某中深层地热井为依托,采用数值模拟方法对各项因素影响下的地热井换热性能及连续运行过程的取热能力进行系统分析。结果表明：采用均质模型、分层模型计算地热井出水温度与实测值最大相对误差分别为14.08%、11.50%,平均误差分别为7.29%、6.93%,分层模型较均质模型具有较高的计算精度;影响因素中地热井深度、地温梯度及地层导热系数对取热功率影响最为显著,在一定程度上取热功率与地温梯度、进水温度、内管导热系数基本呈线性关系,且固井材料导热系数对传热过程具有热阻效应;中深层地热井取热量随运行年限的增加而降低,前5个供暖季取热量降幅较大,之后取热量降幅减缓,经过50个供暖季,年平均取热功率下降15.59%,将地温下降值超过1℃视为地温场受到影响,地温场平均受影响半径约为65 m,此外,由于地层的差异性,地热井周围地层温...     

地埋管换热孔换热系数及其在工程设计中的应用研究

浅层地温能是一种清洁,环保可再生的自然资源,通过热泵系统消耗少量电能即可用于建筑物供暖制冷,在节能减排中发挥着越来越重要的作用。针对目前地埋管换热系统单位延米抉热功率在设计中应用混乱的问题,本文从公式推导及现场试验数据分析出发,研究了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366--2005）和国土资源部行业标准《浅层地热能勘查评价规范》（DZ0225--2009）中关于现场热响应试验的方法及理论计算的关系,导出单孔的换热系数是单位热阻的倒数,它可以代表埋管的换热能力。提出其与直接测出单位廷米换热功率的区别,从而指导工程方案制定。     

地质条件及埋管形式对地埋管换热器换热性能影响研究

利用北京市35个现场换热孔岩土热响应试验数据,分析了地质条件和埋管形式对地埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明地质条件对地埋管换热性能具有显著影响:地层初始平均温度每变化1℃,换热能力相差8%左右;基岩地层的地埋管换热能力平均比松散层高35%;换热孔处地下水流速从0.14 m/d增至0.91 m/d, Pe值从18增加至113,由于热对流换热作用加强,延米换热量提升13%。在相同地质条件下,套管式换热器冬季延米取热量比双U型换热器高约40%;换热深度从150 m增加至300 m时,双U型和套管式换热器延米取热量均略有升高。     

地下同轴套管式换热器取热工况热响应实验分析

地源热泵系统凭借其节能和环保的特性,一经问世就迅速吸引了全世界的目光,成为了一个非常热门的研究课题。换热器的传热效率一直是地源热泵技术研究的主要问题之一,通过对比传统的单U型换热器,对新型的同轴套管型换热器的取热工况进行试验研究,并对采集的数据进行分析讨论,说明其具有良好的传热效果。     

一种寒区地温能高效换热器的研制

随着近年来地温能开发利用的不断发展,地源热泵系统关键部分的换热器的形式和种类也在增加。与此同时,在寒区地温能开发利用方面,由于传统换热器在结构设计及使用上的一些缺陷,使寒区地源热泵系统很难达到设计工作目标,急需研制一种适应寒区地温能采集的经济、高效的换热器。因此,根据寒区地质条件特点和对换热器的性能要求,研制了一种寒区地温能高效换热器。介绍了该换热器的结构形式、技术参数、安装应用等情况。     

我国地热供暖的现状及展望

地热资源作为一种重要的清洁能源,在治污降霾、改变能源结构、提倡生态文明的今天的作用日益凸显。我国大部分地区主要利用化石燃料供暖,污染较严重,供暖形势严峻。而利用地热能供暖是地热资源最直接的利用方式。我国利用地热供暖已有30多年的历史,在天津、咸阳等地利用地热供暖已经初具规模。但是受限于技术、成本等条件制约,地热供暖在我国总供暖面积中占的比例依然很小,而且在利用过程中浪费比较严重,利用地热供暖在我国还有很大的发展空间。目前,北方地区地热供暖以地热流体供暖为主,地源热泵供暖发展迅速,干热岩供暖虽然还处于实验阶段但是前景广阔。笔者在对地热流体、地源热泵、干热岩供暖的历史、现状及前景分析的基础上,提出了我国未来利用地热供暖思考及建议。     

地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统的地温场数值模拟研究

地下水源热泵系统的地温场数值模拟研究对浅层地热能开发利用项目具有重要意义。通过TOUGH2建立地下水源热泵系统的水-热耦合模型,模拟了研究区多年地温场变化趋势以及抽灌井温度变化。结果表明地下水源热泵系统运行10年后部分组团出现大量冷堆积现象,影响供暖温度。依据本结果,结合场地条件,针对冷堆积现象采用太阳能辅助热源系统进行系统强化设计,并模拟研究强化后的地温场多年变化趋势,结果表明太阳能辅助热源系统可以有效提高供暖温度。     

基于高导热材料填充漏失构造的深井换热器性能分析

地热供暖可有效缓解北方雾霾天气。干热岩虽然储量丰富,但增强型地热技术由于开发费用较高,裂隙控制以及避免诱发地震的技术尚不成熟,现阶段还不能商业化应用。水热型地热开发技术虽较成熟,但受资源条件的限制,开发规模较小。对于大多地区,受地质构造和资源禀赋的控制,单井产水量较低或者回灌难,开发经济效益较差。深井换热器(DBHE)技术是开采地热水低产区或回灌难地区热能的有效方式,但受制于岩石导热系数低,单井输出功率小,投资回收期长。为提高DBHE的输出功率,本文提出了增强型深井换热器(EDBHE),通过主动将高导热性能的复合填充剂流进漏失构造的方式提高岩石的导热性能,通过调节回压、密度和黏度来控制漏失量。研究结果表明,单井EDBHE十个采暖季的平均取热功率为1002.34 kW,是DBHE(424.45 kW)的2.36倍。而双井EDBHE十个采暖季的平均取热功率更是达到了27501.61 kW,且热输出稳定,每年的衰减率0.95%。EDBHE技术有效利用了出水量低或回灌难的水热型热储,大幅提高了其出力,扩大了地热供暖的应用范围。     

地源热泵土壤源换热器的施工技术

地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）作为最有发展潜力的热泵技术在各级政府的积极推窑下发壁迅速，但由于地源换热器施工安装成本高，技术的发展遇到了很大的阻力。探讨了土壤源换热器施工技术和土壤源换热器的热平衡问题，力图提高土源换热器施工技术，降低地源热泵成本，促进该技术的推广应用。