中深度同轴式与U型孔道换热器的配置选择与最优流道设计

《Renewable Energy》：Configuration selection and optimal flow design for medium-depth coaxial and U-type borehole heat exchangers

　　

摘要

同轴式和U型钻孔换热器在中深层地热系统中被广泛使用，但针对相同钻探深度的对比研究仍较为缺乏。本研究建立了经过验证的两种模型，分别用于模拟双同轴钻孔系统与U型钻孔换热器，并在总钻探深度为5000米的情况下评估其性能。研究引入轴向传热强度来分析性能差异，同时采用净热交换强度来实现流量优化。在相同的流量条件下，系统的优势会因管道配置、流动状态以及地质条件而有所不同。采用不锈钢真空管的双同轴系统比U型系统能多提取6–12%的热量，但所需泵功更大；而当使用PE-RT II管道时，只有当总流量达到约67.0立方米/小时的临界值时，其热量提取量才能超过U型系统。在基于净热交换强度的最优流量下，同轴系统的流量为38.5立方米/小时，U型系统为60.0立方米/小时，此时两者的热量提取量相当；而在流量超过45.0立方米/小时的临界值后，U型系统的净热交换强度更高。无论是基于热量提取量还是净热交换强度的临界流量，都会因地区不同而有所差异。轴向传热分析表明，U型直钻孔的上部200米是限制其性能的关键区域。区域研究还显示，地层热导率越低、地面温度越高，两种系统之间的性能差距就越小。这些研究结果为流量优化和钻孔配置选择提供了参考。

引言

近年来，随着各国积极推行节能减碳政策，可再生能源在全球范围内得到了快速发展。然而，化石燃料在一次性能源消耗中的占比仍然很高[1]。中国已承诺在2060年前实现碳中和目标[2]，因此推动能源结构的绿色低碳转型以及发展可再生能源已成为重要任务。作为一种可再生资源，地热能受到了广泛关注，被视为调整中国能源结构的最可行方案之一[3]。目前，中国拥有的地热资源量占全球总量的近8%，显示出巨大的开发潜力[4]。

地热资源分为浅层和中深层两类[5]。中深层地热资源通常存在于200–3000米的深度范围内，其热能含量更高且更为稳定。闭式循环中深层地热系统无需抽取地下水即可提取热量，因此能够实现稳定运行且对环境的影响较小[6]。这类系统通常与热泵结合，构成地源热泵系统。其中最常见的两种配置为同轴式钻孔换热器与U型钻孔换热器[7]。同轴式钻孔换热器技术已在多个地区通过实地试验得到了广泛研究[8]、[9]、[10]。人们还运用了数值模型[11]、[12]、解析模型[13]、[14]以及半解析模型[15]、[16]来量化钻孔建造过程中的热传递现象以及系统的运行灵活性。在系统层面，人们还研究了同轴式钻孔换热器阵列的长期可持续性以及不同钻孔之间的热相互作用。蔡等人[17]对西安地区的大规模同轴式钻孔换热器阵列进行了建模，以评估其长期热量提取能力；张等人[18]、[19]则提出了一种用于多钻孔系统的降维算法；邓等人[20]则开发了一种半解析方法，用于预测同轴式钻孔换热器阵列的性能。

与同轴式钻孔换热器相比，U型钻孔换热器是一种较新的中深层地热开发技术[21]。它的地下循环回路更长，但同时也具有更复杂的结构以及更高的施工难度[7]。相关的实地试验主要在西安地区开展[22]、[23]。针对U型钻孔换热器的理论模型包括解析解[24]、[25]、二维有限差分模型[26]、[27]以及三维仿真模型[28]、[29]。这些模型有助于分析系统性能并确定影响性能的各种因素。为了简化模型，人们常常将U型钻孔换热器简化为二维轴对称模型中的直U形管，从而忽略底部各部分之间的热干扰现象[25]、[30]。

尽管同轴式钻孔换热器和U型钻孔换热器都已被广泛研究，但越来越多的学者开始关注两者之间的对比分析。李等人[31]在相同钻孔深度的条件下对这两种技术进行了对比研究。他们的研究表明，同轴式钻孔换热器的单位长度传热强度更高，而U型钻孔换热器在总热量提取方面表现更好。王等人[32]也对这两种技术的经济可行性进行了初步比较。不过，U型钻孔换热器所需的管道长度是同轴式钻孔换热器的两倍多，这导致了两者在钻探投资上的巨大差异。因此，一些研究者开始采用相同的总钻探深度来进行对比。陈等人[33]在相同钻探深度的条件下，将U型钻孔换热器与双同轴式钻孔换热器阵列进行了比较。该研究为了解两种系统的相对性能提供了依据，但对不同配置及不同地区的性能差异分析较为有限。此外，目前尚未有研究能够清晰解释两种系统在热量提取方面的差异机制。另外，在比较不同配置或优化流量时，很少有研究同时考虑热性能与水力性能。虽然较高的流量有助于提升传热效果，但也会增加泵功以及管道所承受的压力。李等人[31]提出了一种综合考虑传热效果与泵功成本的单位长度指标，但这一指标并未考虑到能量品质的差异。Gascuel等人[6]则通过最大化热输出量与泵功的差值来确定最优流量，但这种做法假设泵送电能可以100%转化为热能。

总体而言，目前的对比研究还存在若干关键缺陷：第一，缺乏在相同总钻探深度条件下，基于能够同时考虑热量提取量、泵功以及热泵性能系数等指标的，针对同轴式钻孔换热器和U型钻孔换热器配置选择的分析方法；第二，对于这两种系统在轴向传热方面的差异，目前的机理分析还不够深入；第三，关于这两种系统在不同地区的性能差异的跨区域研究也较为有限。这些缺陷导致人们在选择钻孔配置时缺乏依据，进而影响了项目的经济效益。为解决这些问题，本研究建立了双同轴式钻孔换热器阵列与U型钻孔换热器的数值模型，并在总钻探深度为5000米的情况下对其性能进行了评估。此前用于评估单台同轴式钻孔换热器的净热交换强度指标[34]，在此也被作为统一性能指标，用于优化同轴式钻孔换热器阵列与U型钻孔换热器的性能。研究还引入了轴向传热分析，以揭示两种系统性能差异背后的机理。通过确定临界流量，可为钻孔换热器的选型提供依据；而最优流量则能为设计更高效、更可持续的地源热泵系统提供实际指导。

章节节选

同轴式钻孔换热器传热模型

如图1所示，同轴式钻孔换热器由内外同心圆管组成，流体在两管之间呈逆流方式循环。在本研究中，采用二维瞬态模型来描述循环流体与周围地层之间的耦合传热过程，该模型也为后续的同轴式钻孔换热器阵列建模提供了基础。该模型假设：1）地层为多层结构；2）钻孔内的轴向传热主要由流体对流驱动；3）周围地层中的热传递为纯导热过程[35]

对比分析的条件

在中深层地热项目中，深孔钻探是最大的成本组成部分，且钻探成本几乎与总钻探深度成线性关系[41]。为了确保两种系统的钻探投资水平具有可比性，本研究在相同的总钻探深度和流量条件下对同轴式钻孔换热器与U型钻孔换热器进行了评估。U型钻孔换热器被建模为一个长度为5000米的钻孔，而同轴式钻孔换热器系统则由两个长度均为2500米、相互并联的钻孔组成（即2-同轴式钻孔换热器系统），如图8所示。在这种对比基础上，

结论

为研究中深层地热系统中的钻孔配置选择与流量优化问题，本研究建立了双同轴式钻孔换热器系统与U型钻孔换热器系统的数值模型，并对总钻探深度为5000米的四种典型配置进行了分析。研究采用轴向传热强度来分析性能差异，同时运用净热交换强度指标来优化流量。该分析还基于30年热性能数据，以及60米的间距设置进行了支撑。

作者贡献说明

凌文飞：模型验证、软件开发、实验研究。董世豪：文章撰写与编辑、研究方法设计、概念构思。王亚茹：文章初稿撰写、软件应用、研究方法研究。倪龙：文章撰写与编辑、研究方法研究、资金筹集工作。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52278101）。

王亚茹|董世豪|凌文飞|倪龙

哈尔滨工业大学建筑与设计学院，工业和信息化部寒区城乡人居环境科学技术重点实验室，中国哈尔滨，150090