研究寒冷地区中深同轴换热器在短期间歇运行过程中的传热性能及储层热回收特性

《Renewable Energy》：Study on the heat transfer performance and reservoir thermal recovery characteristics of medium-deep coaxial heat exchangers during short intermittent operation in cold regions

本研究基于现场测试和实验室实验，建立了考虑非均质形成的 coaxial heat transfer 模型，揭示了运行停机比和间歇频率对热交换效率及热影响半径的影响规律，明确了恢复期地层温度演变过程及影响因素。

　　在当前全球能源结构不断调整的背景下，清洁可再生能源的开发与利用成为重要的研究方向。中国长期以来依赖煤炭、石油和天然气等传统化石燃料，这在一定程度上导致了严重的空气污染问题，尤其是在冬季取暖需求旺盛的东北地区。为了缓解这一问题，研究者们开始关注中深层地热能的应用，将其作为替代传统能源的可行方案。地热能不仅能够有效提供稳定的热源，而且具备较低的环境影响和较高的能源利用效率，因此在建筑供暖领域展现出广阔的发展前景。

然而，传统的浅层地源热泵（GSHP）系统在极端低温环境下往往难以满足巨大的热负荷需求。相比之下，中深层地热能的开发则需要更复杂的系统设计和技术手段。尽管在华北地区已经广泛应用了水热型地热供暖系统，但在东北地区由于地质条件和开发资源的限制，这种系统仍然面临诸多挑战。特别是在中央松辽盆地，虽然地热资源丰富，但适宜的水热型地热储层和开发条件较为匮乏，直接提取地热可能面临回注困难等问题。此外，增强型地热系统（EGS）虽然在某些情况下可以提升地热能的开发潜力，但其开发过程复杂且成本高昂，还可能引发流体损失和微震等次生环境问题。

鉴于上述因素，中深层同轴孔热交换器（DCBHE）作为一种新兴的地热能利用技术，逐渐受到研究者的关注。这种技术虽然在热提取能力上受到一定限制，但其占地面积小、热交换效率高、对环境影响较低等优势，使其在特定区域如松辽盆地具有较大的应用潜力。因此，如何优化中深层同轴孔热交换器的运行策略，提高其热提取效率和系统稳定性，成为当前研究的重要课题。

近年来，国内学者对中深层同轴孔热交换器在寒冷地区的热交换性能进行了大量研究。这些研究主要集中在热交换参数对地层温度分布的影响，以及不同运行模式下系统热效率的变化。例如，有研究表明，在相同的流量条件下，进水温度的变化对地层热交换效果的影响更为显著，而流量的变化则对热交换效果的提升作用有限。此外，有学者通过长期运行数据发现，随着运行时间的延长，地层温度逐渐下降，而热影响半径则呈现扩展趋势。这些研究为中深层地热能的开发提供了理论支持，但也存在一定的局限性。

一方面，多数研究仅关注热交换参数本身的变化，而忽略了运行策略对热交换过程的深远影响。另一方面，现有的研究多集中于连续运行模式下的热交换效果，对于间歇运行模式中运行频率与热影响半径之间的关系缺乏系统分析。特别是，关于在相同运行频率下，不同运行时间间隔对热交换效率和系统稳定性的影响，尚未有深入探讨。因此，有必要开展针对间歇运行模式的专项研究，以揭示其对热交换过程的具体影响机制。

在实际的供暖过程中，间歇运行模式通常被采用，以降低系统运行成本并延长设备使用寿命。然而，目前的研究多集中于运行时间比例（run-stop ratio）对热交换性能的影响，而对运行频率（intermittent frequency）的作用关注不足。此外，现有研究在分析热影响半径变化时，往往仅考虑运行期间的变化，而忽视了恢复期间的动态演变过程。这一过程对于下一轮运行周期的热交换效率具有重要影响，因此需要进一步探讨。

为了弥补现有研究的不足，本文在松原地区开展了一项短期间歇运行的地热交换实验，旨在分析中深层同轴孔热交换器在不同运行频率下的热交换性能。实验过程中，结合现场测井、钻屑分析和实验室核心样本实验，建立了一个考虑地层非均质性的同轴热交换模型，并对模型进行了验证。研究重点在于，当运行时间比例固定时，不同运行频率对出水温度的影响，以及在运行期间与恢复期间，热影响半径的变化规律。通过分析地层温度分布的变化过程，研究进一步揭示了热恢复的时空演化机制，并探讨了地层物理性质、进水温度和流量等因素对热影响半径的具体影响。

研究结果表明，运行时间比例对热交换性能具有显著影响。随着运行时间比例的增加，出水温度呈现出下降趋势。这一现象可能与地层热能的持续消耗有关，当系统运行时间较长时，地层温度逐渐降低，导致热交换效率下降。相反，当运行频率增加时，热交换性能得到显著提升。提高运行频率能够刺激远距离地层的热响应，扩大热影响半径，并增强热提取能力，从而改善出水温度。在相同运行时间比例下，将每日运行频率从1次增加到4次，经过30天后，平均出水温度分别提升了0.89%、1.73%和2.10%。同时，最低出水温度也分别提高了1.715°C、2.270°C和2.943°C，热影响半径则相应地扩大了0.044米、0.074米和0.099米。这说明，提高运行频率可以有效促进地层热能的恢复，从而提升系统的整体热交换效率。

在恢复期间，地层温度的恢复过程表现出明显的时空滞后效应。这种滞后性意味着，在系统停止运行后，地层温度的回升并非立即发生，而是随着时间的推移逐渐显现。因此，合理的运行策略应充分考虑这一特性，以确保系统在下一轮运行时能够达到最佳的热交换效果。此外，热影响半径的变化受到多种因素的影响，其中热导率和地层密度是关键参数。较高的热导率有助于加快热能的传递，从而扩大热影响半径；而较高的地层密度则会减缓热能的扩散，导致热影响半径缩小。因此，在选择地热开发方案时，应充分考虑地层的热导率和密度特性，以优化热影响半径的控制。

研究还发现，地热梯度和地层孔隙度对热影响半径具有重要影响。较大的地热梯度意味着地层内部存在较强的热源，从而有助于热能的扩散和热影响半径的扩大。而较小的孔隙度则限制了热能的传播路径，使得热影响半径相对较小。这表明，在地热资源丰富的区域，合理的地层结构优化可以显著提升热影响半径，从而提高热能提取效率。相比之下，进水温度和流量对热影响半径的影响较为有限，因此在实际运行中，这些参数的调整对热影响半径的控制作用较小。

从整体来看，本研究通过实验和模拟相结合的方法，揭示了中深层同轴孔热交换器在间歇运行模式下的热交换性能变化规律。研究不仅分析了不同运行频率对出水温度和热影响半径的影响，还探讨了热影响半径的时空演化过程，为优化地热能开发策略提供了科学依据。此外，研究还指出，在相同运行时间比例下，运行频率的调整对热交换效率具有显著影响，这为今后的地热能开发提供了新的思路。

本研究的结论对于推动中深层地热能的可持续利用具有重要意义。首先，研究结果表明，合理的运行频率调整可以有效提升系统的热交换效率，同时促进地层热能的恢复。因此，在实际工程应用中，应结合具体地质条件和热负荷需求，优化运行频率和时间比例，以实现最佳的热能提取效果。其次，研究发现热影响半径的变化与地层物理性质密切相关，这提示在地热资源开发过程中，应充分考虑地层的热导率、密度和孔隙度等因素，以优化热影响半径的控制。最后，研究还强调了间歇运行模式下恢复期热能恢复的重要性，这为未来地热能系统的长期运行和维护提供了理论支持。

综上所述，本研究通过对中深层同轴孔热交换器的间歇运行模式进行系统分析，揭示了其在寒冷地区应用中的关键影响因素。研究不仅为优化地热能开发策略提供了科学依据，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。未来的研究可以进一步探讨不同地质条件下热影响半径的变化规律，以及如何通过技术手段实现热影响半径的动态调控。此外，随着地热能开发技术的不断进步，如何在保证系统稳定性的同时，提升热能提取效率，将是值得深入研究的重要课题。