浅析中深层地热地埋管供热技术及其工程应用

浅析中深层地热地埋管供热技术及其

工程应用

摘要：近年来，我国对新能源的需求不断增加，地热能作为一种新型能源，

其应用也越来越广泛。如何优化工艺技术方案，提高换热效率，确保系统长期、

稳定运行，降低初期投资成为今后研究的重点方向。本文首先分析了中深层地热

地埋管供热技术原理，其次探讨了中深层地热供暖技术系统分类，最后就工程应

用研究进行论述，以供参考。

关键词：地热能；中深层地热地埋管；关键技术；工程应用

引言

地热能主要来源于地球内部放射性元素衰变、地球熔融岩浆以及太阳能，中

深层地热能具有分布广泛、绿色环保、清洁低碳、安全稳定等特点，现已成为我

国北方地区清洁供暖的主要能源方式。我国中深层地热资源开发主要有地热水直

接开采、采灌系统平衡和中深层地热地埋管换热三种方式。近年来中深层地热地

埋管换热技术的研究应用，开创了一种全新利用模式，解决了以往地热开发利用

中存在的诸多问题，也掀起了新一轮地热资源开发利用的高潮。

1中深层地热地埋管供热技术原理

中深层地热地埋管现有同轴套管式和U型管式两种，本文介绍技术较为成熟，应用广泛的中深层地热同轴套管换热技术，该技术是以中深层地热能为热源，先

通过钻机向地下2～3km深处高温热岩体钻地热井，在井内安装一种密闭的同轴

套管换热器，利用换热介质在井内形成闭式循环将地热能“取热不取水”无干扰

交换，经地热热泵机组温度提升后由用户侧循环水泵和输配管网为用户提供供热

服务的新技术。中深层地热同轴套管供热系统由地热换热系统、地热热泵系统和

室内供热系统三部分组成。

2中深层地热供暖技术系统分类

（1）中深层水热型地热供暖技术。水热型地热供热技术是通过向中深层岩层钻井，将中深层地热水直接采出，以地下中深层地热水为热源，由地面系统完成热量提取，用于地面建筑物供暖的技术。该系统可采用直接供热、间接供热、梯级利用耦合热泵供热。（2）中深层地埋管供暖技术。中深层地埋管供暖技术是以中深层岩土体为热源，由中深层地热换热系统提取热量并通过地热热泵机组向建筑供热的技术。中深层地埋管供热系统主要包括中深层地热换热系统、地热热泵系统、建筑室内供热系统。地热换热器的埋管形式通常采用同轴套管式。

3工程应用研究

3.1录井优化

设计方案：未设计录井。录井分析：不进行录井无法取全取准各项反映地下地热地质情况的资料和数据，无法判断岩性，解释地层剖面，并结合录井剖面进行地层划分，掌握井下地层层序、岩性，初步了解地层热储层特性。优化方案：增加钻时录井、岩屑录井和钻井液录井。

3.2钻孔深度确定方法

计算钻孔深度时，首先给出钻孔深度初始值，利用建立的中深层地埋管换热器传热模型，确定地下温度场分布和管道内流体温度分布。以是否满足设定的地埋管内循环水的进口温度范围为判据，若得到的寿命期末循环水进口温度在设定的范围内，则输出钻孔深度;若不满足要求，则对循环水进口水温的大小进行判断，若循环水进出口水温的最小值高于所设温度范围，则降低钻孔深度，若低于所设温度范围，则增大钻孔深度，重新进行计算，直至找到满足水温要求的钻孔深度值，停止计算，并输出该钻孔深度值。

3.3供暖季初期

热源侧进水温度较高，可达50℃以上，随着热负荷增大，热源侧进水温度逐渐降低至31℃左右，系统趋于稳态运行，高于同类项目8℃左右，效果较好。

3.4地埋管运行稳定性分析

经过分析，岩土区域1ａ内的热恢复基本恢复至初始温度水平，但是仍与初始温度存在微小差距，即每一年运行初始温度相对于上一年都有所减小，使用本次研究工况进行10ａ不间断运行，即1ａ内4个月运行供暖，8个月内停机完成热恢复，采用供暖季结束时出口水温作为地埋管运行稳定性判断标准。

3.5内管材质优化

设计方案：内管采用高密度聚乙烯（HDPE）塑料复合管。内管材质分析：高密度聚乙烯（HDPE）塑料复合管硬度低、刚性差、易老化、不耐高温，使用温度为±60℃之间，随着温度的升高其承压能力迅速下降，该地区井深2500m，井底温度一般在70~80℃，最高可达90℃以上，长期在高温条件下，内管材料结构和物理性能发生变化，使用寿命变短，甚至破裂，安全隐患较大。优化方案：内管采用耐高温（20~110℃）、硬度高、刚性好的铝合金衬塑（PE-RTⅡ）复合管。因HDPE塑料复合管和铝合金衬塑（PE-RTⅡ）复合管导热系数仍相对较高，循环介质沿内管上升过程热损失较大，降低了换热效率，且密度小于1g/cm3，需加配重装置才能确保内管顺利安装和下入深度，内管材料性能仍需进一步研究。

3.6循环水最低设计进口温度的影响

对于冬季持续供热且各年取热负荷差别不大的系统，其寿命期末对应的循环水进口水温是其全寿命期最低进口水温。循环水最低进口温度设计值的选择会影响埋管与周围土壤间换热能力，当取热负荷一定时，该数值影响钻孔设计深度，进而影响初投资。设定温度值越大，设计的钻孔越深。因此为降低钻孔深度，减少初投资，循环水最低设计温度宜取较小值。但考虑到实际运行时，取热负荷可能会因极端天气情况而增大，从而导致循环水温度过低，故循环水最低设计进口温度不宜过低，文章的温度取5℃。

3.7钻孔深度与钻孔数量选择对运行经济性的影响

这是由于钻孔深度越大，管底温度越高，循环水和岩土间换热效果越好，每延米换热量越大。由于两种方案中流体都处于紊流状态，对流换热效果都很好，

虽然此时流量增大每延米换热量也增大，但当流量增大到一定程度后，继续增大

流量，地埋管与周围换热增大幅度不会太大。因此实际运行时，当流量能保证流

动达到旺盛紊流后，不宜采用大幅增大流量的方法提高取热能力，此时虽然取热

量会有所增加，但泵功会急剧增加，反而得不偿失。对比方案1和5，发现对相

同取热量，运行流量越小的工况进出口水温的温差越大，即当埋管进口水温相同时，流量较小的循环水出口温度越高，这有利于提高热泵机组和地埋管系统能效比。因此对于中深层地源热泵系统，在达到一定流量后，可考虑采用“较小流量、较大温差”的运行模式。上述分析表明，取热负荷较大时，宜采用数量少而钻孔

深的设计方案，除了钻孔成本降低外，运行经济性也得到了提高。循环水采用小

流量大温差模式，可进一步提升运行经济性。

结语

综上所述，中深层地热能分布广泛、绿色环保、清洁低碳、安全稳定，具有

较高的开发利用价值，各高校、科研院所、企业等积极探索研究中深层地热地埋

管供热技术，成果丰硕，为该技术的推广和应用奠定了扎实的理论基础，提供了

重要参考资料。通过工程应用对地热井的井身结构、井间距、录井、测井、固井、内管材质等进行优化。但是中深层地热地埋管供热技术目前仍存在地埋管传热机

理复杂、持续换热稳定性不高、换热效率较低、管材性能与工况不匹配等技术难

题亟需攻克解决，以提高换热系统效率，降低初期投入成本，使其发挥更大的经

济效益、社会效益和环境效益。

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