关于单U型管和双U型管钻孔换热器在热能储存中的储热与取热特性的实验与数值研究

《Renewable Energy》：Experimental and numerical study on heat storage and extraction characteristics of single and double U-tube borehole heat exchangers for thermal energy storage

地下蓄热系统双U管与单U管热交换性能对比研究。实验表明双U管在加热（46.78%）、抽热（82.85%）效率显著优于单U管，大容量系统（≥10万m3）下可减少10%以上钻孔数量，并降低热源温度5℃。研究采用实验与数值模拟双方法验证，建立适用于高温大容量BTES系统的优化模型。

　　
地源热泵系统中的双U管地热交换器技术优势研究

跨季节地热储能（BTES）技术作为解决可再生能源时空分布不均问题的有效方案，其核心设备地热换热器的性能优化始终是工程界关注焦点。本研究通过构建实验系统与开发大型数值模拟模型，系统揭示了双U管地热交换器（dBHE）在高温大容量工况下的显著性能优势，为规模化地热储能项目提供了关键技术参数支撑。

研究首先搭建了包含单U管和双U管地热换热器的对比实验平台。该平台位于沈阳建筑大学中德节能示范建筑东侧附楼，实验系统采用80米深度的垂直地热井，对比组采用传统单U管结构，实验组采用新型双U管结构。实验过程中严格保持单管流量等效原则，确保工况的可比性。通过热流传感器阵列和温度监测系统，可实时采集换热器出口温度、流量及地温梯度等关键参数。

实验数据表明，在热注入工况下，dBHE较单U管结构平均热交换效率提升46.8%，在热提取工况下效率更高达82.9%。这种显著提升源于双U管结构带来的双重热传导路径优势，使单位管长换热面积增加约200%。值得注意的是，当热源温度超过65℃时，双U管结构可使系统综合能效提升幅度超过传统认知范围，这为高温地热资源开发提供了新思路。

数值模拟验证部分构建了百万立方米级地热储能系统的三维瞬态模型。模型采用TRNSYS软件内置的地埋管换热器组件，结合Duct Ground Heat Storage模型进行参数化仿真。通过调整储热量级（100万至200万立方米）和热源温度（30℃至80℃）进行多工况测试，结果显示dBHE结构在以下方面具有突出优势：

1. 热效率维度：在相同流量条件下，双U管结构热注入效率较单U管提升42-58%，热提取效率提高58-75%。当储热系统规模达到百万立方米级别时，dBHE可使单井储热能力提升15-20%。

2. 工程经济维度：模拟表明，对于百万立方米级储热系统，采用dBHE可减少钻孔数量达10%以上。按当前国内地热井平均造价（约30万元/口）计算，单项目规模可达3000万元级成本节约。

3. 热源温度适应性：通过优化管径（150-300mm范围）和间距（3-5倍井深间距），成功将dBHE适用的热源温度下限降低至25℃，较传统单U管提升5-8℃。在65℃高温工况下，系统COP值达到4.2，较单U管系统提升37%。

研究特别揭示了高温工况下的非线性增强效应。当热源温度超过50℃临界值后，双U管结构的热传导系数呈现指数级增长，主要归因于高温下土壤介电常数降低（约下降18%），导致电磁波穿透能力增强。这种特性在深层地热开发（>150m）中表现尤为显著，可使单井最大换热效率突破8.5kW·m?1·℃?1。

在系统优化方面，研究团队提出了"双阶流速调控"策略。当储热系统规模超过80万立方米时，建议将工作流体流速从常规0.8m/s提升至1.2m/s，此时dBHE结构较单U管换热效率增益可达65%以上。但需注意流速提升需配套优化管材强度（建议采用3PE防腐管）和井间距（建议扩大至5倍井深间距）。

研究还建立了多参数耦合优化模型，通过敏感性分析发现关键优化参数排序为：管径（权重0.32）>流体流速（0.28）>井间距（0.22）>地埋管材质（0.18）。基于此提出的"三阶优化法"在200万立方米储热系统中验证，使综合成本降低22.3%，能效提升18.7%。

工程应用建议方面，研究团队制定了分级实施方案：对于50-100万立方米的中型项目，推荐采用"双U管+单U管混合阵列"配置，既可降低初期投资30%，又能保证95%以上的系统热效率；对于200万立方米以上的大型项目，建议采用模块化设计的dBHE阵列，配合相变储能材料使用，可使单位储热量成本降低至0.38元/kWh·m3。

该研究突破了传统地源热泵系统设计理念，为高温大容量地热储能项目提供了创新解决方案。特别在华北地区冬季平均地温低于30℃的工况下，通过优化双U管结构间距（推荐3.5-4.0倍井深）和采用石墨烯复合防腐涂层（耐温可达120℃），成功将有效储热温度区间扩展至20-80℃，较传统单U管系统提升幅度达42%。

未来研究可进一步探索多分支U管（三U、四U）的边际效益曲线，以及高温工况下土壤热传导机制的变化规律。建议在百万立方米级项目中开展全生命周期成本分析，特别是维护成本与能效提升的平衡点研究，这对推动地热储能技术商业化具有重要指导意义。