储能同轴深井换热器岩土热响应试验及换热性能分析

秦圣权 QIN Sheng-quan

（安徽华冶新能源科技有限公司，合肥 230000）

0 引言

随着低碳时代的到来，余热回收储存技术正面临新一轮的市场需求。其中如何将火力发电厂夏季的余热储存到地下，进行冬季供暖，是值得深入研究的课题。本文就北方某电厂计划采用同轴深井换热器进行跨季节储能，根据委托进行场地岩土热响应试验、进行数据处理分析、得出所在场区的地下岩土热物性参数，并就该技术换热性能等进行分析，为储能系统的深化设计及后期运行管理提供科学依据。

1 同轴深井换热器结构简介

北方某热电厂拟采用同轴深井换热器技术进行夏季余热储存和冬季取热。先进行岩土热响应测试，获得场区岩土体岩层可钻性、初始平均温度、岩土体综合热物性及岩土体换热能力等参数。设计DN80 同轴深井1 口，井深300m。具体结构和换热原理如下：

1.1 基本结构

同轴深井换热器技术由我公司研发，我司编写并公开的《地源热泵同轴深井换热器应用技术导则》（Q/BHYDR001-2016），该项技术获安徽省住房和城乡建设厅鉴定（皖建科鉴字[2015]第026 号）。主要是采用钢外管及芯管组成的密闭环路形成的地下换热系统，有效深度约为300m，内部芯管出水，外部环腔进水。考虑管道防腐，外管非含氧层采用无缝钢管或焊管，含氧层采用镀锌钢管，含氧层套丝破坏镀锌层处采用沥青防水卷材热熔包裹，管道承压等级为1.6MPa。同轴深井换热器曾成功使用在某住宅小区地源热泵地埋管中[1]，而由于本次同轴深井换热器用于储热。考虑到管腔内水温要远高于地源热泵系统夏季管内循环水的温度，将原来的PE 芯管调整为耐高温的PERT 管[2]，承压等级由1.0MPa 调整为1.6MPa。

1.2 换热原理

循环介质经空调主机换热→地下换热器外支护套管→经充分热交换后由支护套管的底部→换热器芯管→经水平管→主机，完成换热。

外支护套管的口径远大于内管口径，在工质循环流量一定的条件下，工质在外支护套管内流速小；由于外支护套管口径、深度大，所以换热器与岩土的接触面积大，使得地下换热器与地下岩土有足够的换热空间；外支护套管内工质循环流速较小使得地下换热器有足够的时间与地下岩土进行热交换。

2 试验井岩土热响应试验

2.1 试验目的

根据文献要求[3]，闭式地源热泵换热器的设计应根据现场热响应试验出的岩土体综合热物性参数，采用专用软件进行计算。其主要目的是：①获得现场土壤的热物性参数，为地源热泵换热器的设计与优化提供依据；②获得地下换热器单位埋深换热能力，为换热器长度的初步估算及其布置提供参考（注意：单位埋深换热能力不能作为最终设计依据）；③为后期地源热泵系统长期运行后土壤温度的变化及土壤热平衡问题的计算分析与校核提供数据；④了解拟建场地换热器的可钻性，大致确定施工成本。

2.2 试验原理

现场试验系统主要包括循环系统、加热系统、测量系统和辅助设备。循环系统的主要功能是实现水在地下埋管换热器与测量仪中的循环流动，以及循环水流量的调节。加热部分主要用于加热循环水，使循环水在地层中散失的热量得到补充。加热器以恒定热功率对水箱内的水加热，加热后的循环水以恒定的流量进入地下换热器，与周围土壤换热，加热器开始加热的同时开始计时，以一定时间间隔记录地下换热器的出入口水温，并以其确定进出口水温平均值与埋管单位埋深换热量。

2.3 热响应试验方案

整个热响应试验包括3 个阶段：①试验孔打孔安装，包括：试验孔打孔、埋管试压、下管及回填；②试验试验台的连接、调试和试验开展；③试验结果分析与整理。

本项目岩土体初始平均温度测试拟采用无负荷循环法；岩土体换热测试拟采用稳定热流测试，具体技术要求满足规范要求。

2.4 试验井技术参数

本试验项目设1 个试验井（孔），相关技术参数见表1同轴深井换热器结构。

表1 同轴深井换热器结构

由表1 可知，钻孔直径决定试验井（孔）的开口大小，影响施工过程中的钻进速度、钻头选择等。孔深决定了验井（孔）的探测深度，需要根据地质条件、试验目的等因素来选择合适的孔深。外管直径/壁厚决定换热器的结构强度和耐压能力。内管直径/壁厚决定换热器的换热性能和流体流动特性。通过这些参数，可以了解同轴深井换热器试验井（孔）的基本结构和尺寸，为设计和优化换热器系统提供参考依据。

2.5 热响应试验装置

试验装置采用一套基于地下埋管现场热响应原理的试验系统，可以完成不同进口温度下的热响应试验及地下岩土热物性的试验。试验装置可根据具体试验需要设定埋管进口温度、灵活调节循环流量及所需要的加热功率，装置水平放置于试验现场，并通过保温管道与试验井埋管进出口连接，从而构成循环试验系统。温度传感器采用高精度PT100 铂电阻，并通过温度采集仪进行实时采集与储存。

3 试验数据整理与分析

3.1 土壤初始平均温度

试验开始前连接试验孔与地上试验装置循环水管道进出口，并用绝热材料做好外露管道绝热保护工作。在加热器投入运行前开启循环水泵，并用高精度温度传感器测得换热器中与土壤进行过充分热交换的水温，此水的温度即可认为是土壤原始平均温度。采用此方法现场无负荷试验运行共计16h，从第1h 开始地埋管出水温度连续变化＜0.5℃，持续时间至第16h。最终得到埋管场区土壤初始平均温度为16.7℃。

3.2 土壤热物性

对于地源热泵而言，其换热器设计所需的地下土壤热物性参数除土壤初始温度以外，主要包括土壤有效导热系数、土壤容积比热容及钻孔热阻。另外，通过试验也可直接得到反映换热器与周围土壤传热特性的换热器综合传热系数。由于地下土壤热物性参数只能根据传热学理论，通过测量热流与温度，应用傅立叶导热定律，通过一定的传热模型，采用传热反问题进行求解。

地下土壤热物性试验在试验孔上完成，采用恒热流法进行试验，数据采集时间间隔设定为20min，平均循环流量为4m3/h。根据对热物性试验孔实测数据进行整理，可以得到一个清晰的图表，该图表反映了地下土壤的热物性参数随时间和流量变化的情况。通过这个图表，可以更深入地理解土壤的热传导特性，为后续的热传导模型建立和传热反问题求解提供重要依据。具体见图1。

图1 进出口流体平均温度随试验时间的变化

由图1 可知，随着试验时间的增加，进口流体温度和出口流体温度均呈现逐渐上升的趋势，从试验开始到试验进行8h 时，进水温度从19℃升高到25℃，回水温度从16.5 升高到21.5℃。这是由于试验过程中，热源不断向地下土壤传递热量，导致土壤温度升高，从而使得进出口流体的温度也随之升高。在试验初期，进口流体平均温度可能上升较快，而出口流体平均温度上升较慢。随着试验的进行，这种差异可能会逐渐减小，两者的变化速率趋于一致。同时，进出口流体平均温度之间存在一定的温差，这可能是由于土壤对热量的传导和储存导致的。随着试验时间的增加，这种温差可能会逐渐减小，表明土壤对热量的传导和储存能力可能减弱。故在试验过程中，需要密切关注进出口流体平均温度的变化情况以及之间的关系，为后续传热反问题求解提供重要依据。

3.3 换热器换热能力分析

3.3.1 换热器释热工况

采用地源热泵专用地下岩土热物性计算程序处理，给出释热工况下，岩土体温度为初始温度16.7～40℃不同工况下，不同的埋管进出口循环液平均温度对应的各运行份额下单位埋深延米释热量变化曲线。

3.3.2 换热器吸热工况

随着过渡季节的储热，岩土体的温度逐渐升高，在冬季工况下，使用地源热泵主机进行供暖运行，采用地源热泵专用地下岩土热物性计算程序处理，给出在地源热泵主机平均温度为5～15℃不同工况下，不同的岩土体初始温度对应的各运行份额下单位埋管延米吸热量变化曲线，其中地源热泵主机平均温度5℃、7.5℃的吸热量变化曲线见图2、图3。

图2 吸热量变化曲线（5℃）

图3 吸热量变化曲线（7.5℃）

3.3.3 换热器换热能力分析

从测试数据分析可知，在岩土体温度及循环液平均温度相同的情况下，随着运行份额的增加，单位延米释热量是减少的。在岩土体温度及运行份额相同的情况下，随着循环液平均温度的增加，单位延米释热量呈线性增加。上述运行份额是针对空调运行的工况而言的，且如果是在空调运行工况下，一般循环介质的平均温度仅分析至36℃左右，但本项目为电厂余热储热工况，故循环介质的平均温度给到80℃供参考。在循环液平均温度及运行份额相同的情况下，随着岩土体温度的持续上升，单位延米释热量呈下降。场区内的余热是通过换热器排放给大地岩土体，实际上地下换热器与岩土体的换热状态是一种不稳定传热。热量的排放是以换热器为中心逐渐向周围岩土扩散。随着排放总量的增加，热量大量聚集在换热器井群附近的岩土体中，热量的扩散逐渐缓慢，地下换热器换热能力是持续衰减的。地表土层是能吸收、储存和以任何方向输送水分的多孔介质，在竖直方向上，以地下水为界，可分为不同的岩土含水带。实际换热过程中，也需要考虑渗流对地埋管换热性能的影响，但实际工程中很难获得渗流速度和渗流方向等原位测试参数，工程上一般将其作为有利因素考虑[4]；但是对于余热跨季节存储实则不然。渗流对地埋管换热性能的影响程度，不仅与渗流层自身的特性有关（比如渗流速度、渗流水温、渗流方向以及渗流层岩土孔隙率等），渗流层在埋管竖直方向上所在的特性如渗流层的厚度以及渗流所在的标高也产生影响。考虑渗流对地埋管换热性能的影响程度，对于场地地下水渗流建议采用拦截措施，对地下渗流层进行类似于基坑施工的止水措施，减少热量的流失，从而提高地埋管的储热效率。

因此，对于单位延米释热量取值，应针对余热储热的供回循环介质的平均温度、运行时间、实际渗流条件等诸多因素参考使用。

从测试数据分析可知，在岩土体温度及地源热泵主机进出水平均温度相同的情况下，随着运行份额的增加，单位延米吸热量是减少的。在岩土体温度及运行份额相同的情况下，随着地源热泵主机进出水平均温度的增加，单位延米吸热量呈线性减少。例如25%工况下，主机进出水平均温度每增加1℃，吸热量减少4.4～4.5W/m。本文仅分析5～15℃的进出水工况，其中7～8℃地源热泵主机标准运行工况下的数据可作为设计参考取值。在地源热泵主机进出水平均温度及运行份额相同的情况下，随着岩土体温度的增加，单位延米吸热量呈线性增加；例如25%工况下，岩土体温度每增加1℃，吸热量增加4.4～4.5W/m。

对于冬季吸热工况，本工程不同于常规同轴深井空调供热工况。常规空调供热工况是基于岩土体冬夏冷热平衡条件下，冬季的岩土体温度在经历一个制冷周期释热工况下岩土体的温度趋于或略高于岩土体的原始温度（与建筑物的冷热负荷有关）。但本项目是利用夏季及过渡季储存的余热进行冬季吸热然后应用于建筑物的供暖，因而本工程分析的是高于岩土体初始温度下的吸热量，图2、图3分析的温度是到55℃，实际岩土体的到冬季储存余热的温度受到诸多因素的影响，可能达不到55℃。并且随着冬季取热运行时间的延长、建筑物累计取热负荷的加大等影响，岩土体的温度会逐渐减低。因而建议在场区地埋管换热器边缘不利位置设置地埋管换热器温度监测装置，根据初期投入使用后的若干年实时观察，真实地掌握该场区内地埋管的温度变化动态，总结出实际的应用效果。

因此，对于单位延米吸热量取值，应针对余热储热后岩土体的初始温度、地源热泵主机运行工况、运行时间、建筑物的用热负荷需求、实际渗流条件等诸多因素参考使用。

4 结论及合理化建议

本文通过对储能同轴深井换热器的岩土热响应试验及换热性能分析，得出储能同轴深井换热器具有较高的换热性能，能够有效地实现夏季余热的储存和冬季的供暖。试验获得了土壤初始平均温度和土壤热物性等实验数据，为换热器的设计和优化提供了依据。换热能力分析表明，单位延米释热量和吸热量随着运行份额的增加而减少，随着循环液平均温度的增加而增加。项目所在地场区内0～300m 深度范围内岩土体初始平均温度为16.7℃，地下岩土热物性参数如下：等效导热系数为1.97W/（m·K），等效容积比热容为2655kJ/（m3·K），单位长度钻孔热阻为0.353（m·K）/W。为提高换热器的换热效率和稳定性，满足不同工况下的需求，建议在换热器边缘不利位置设置地埋管换热器温度监测装置，并实时观察地埋管的温度变化动态，掌握实际应用效果。同时，加强对岩土体热物性参数的测试和分析，为换热器的设计和优化提供更准确的数据支持。考虑渗流对地埋管换热性能的影响，采取拦截措施，以减少热量的流失，提高地埋管的储热效率。