CN113776120A - 一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，根据项目所在地地质地热条件确定单口中深层地热地埋管累计取热量，从影响传热过程的驱动温差与传热阻力的角度，总结影响中深层地热地埋管换热性能的外因、内因以及内外协同因素及其影响情况，进而得到中深层地热地埋管瞬时取热量随土壤导热系数、温升梯度、内管导热系数、管深、循环水量、进水温度变化的定量关系，根据上述影响因素确定地埋管热泵供热系统的供热方式。本发明基于传热学的基本理论，可以保证中深层地热地埋管换热系统长期稳定运行，同时结合间歇运行蓄热特性以及用户侧蓄热水箱，使得中深层地热地埋管具有较大的取热量调节能力，可以通过自身换热特性在短时间起到大容量的调峰作用。

Description

一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法

技术领域

本发明涉及地热能利用相关技术领域，尤其涉及一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法。

背景技术

对于常规供热系统的设计，往往根据尖峰负荷选择系统装机容量。但对于中深层地热地埋管热泵供热系统，真正制约中深层地热地埋管的是长期累积取热量，中深层地热地埋管由于只取热不补热，每年均存在土壤温度的衰减，衰减量与供热季累积取热量和排列间距相关。供热季取热量过大、排列间距过小，将会导致中深层地热地埋管取热性能衰减过快，进而影响长期运行性能。因此，针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计，特别是对于中深层地热地埋管，考虑的不再是尖峰负荷，而是供热季累积取热需求。

而对于地上的热泵供热系统，包括热泵机组、两侧输送系统，需要考虑的是尖峰负荷保障能力，因此仍然需要根据尖峰负荷选择容量，但对于具体的台数搭配，同样需要考虑长期运行的变工况调节，避免容量搭配不当，导致系统长期运行在部分负荷工况，降低系统运行性能。因此，选择合理的中深层地热地埋管热泵系统设计方法，成为制约中深层地热地埋管热泵系统长期稳定运行关键因素。

中深层地热地埋管热泵供热技术与传统地热能利用技术相比具有热源温度高、取热量大，系统运行稳定、性能高效，占地面积小、保护地下水资源等优势，且不受地面气候条件的影响，可实现中深层地热能的清洁、高效、持续利用，是一种更加优质的可再生能源清洁高效供热技术。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，根据项目所在地地质地热条件确定单口中深层地热地埋管累计取热量，从影响传热过程的驱动温差与传热阻力的角度，总结影响中深层地热地埋管换热性能的外因、内因以及内外协同等因素及其影响情况，拟合中深层地热地埋管换热性能影响因素表达式，得到中深层地热地埋管瞬时取热量随土壤导热系数、温升梯度、内管导热系数、管深、循环水量、进水温度变化的定量关系式，进而确定一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，以保证中深层地热地埋管换热系统长期稳定运行。

具体包括以下步骤：

步骤一、通过建筑供热季供热负荷的模拟分析，得到逐时供热需求，随后确定尖峰供热负荷以及累积供热量；

步骤二、明确项目所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度，根据地质条件选取合适的地埋管尺寸及施工流程；

步骤三、结合地热地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2℃，计算单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值，进而根据需求的累积取热量确定中深层地热地埋管开采数量N；

步骤四、确定完中深层地埋管开采数量后，结合地热地质条件计算单根中深层地埋管尖峰取热量，乘以开采数量N，得到尖峰累积取热量；

步骤五、根据尖峰取热量确定热泵机组装机容量及用户侧水泵、热源侧水泵装机容量；

步骤六、若热泵机组装机容量大于建筑实际尖峰供热需求，则以建筑实际供热需求确定热泵机组容量，及用户侧水泵、热源侧水泵装机容量；若热泵机组装机容量小于建筑实际尖峰供热需求，剩余的供热量采用常规热源进行调峰替代。

步骤三中单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值公式如(1)所示：

Q_a＝F_g·q_c·Δ_τ+F_g·H·ρ·C_t·ΔT (公式1)

其中Q_a为中深层地热地埋管全年累积取热量推荐值，单位GJ；F_g为土壤控制体横截面积，单位㎡；q_c为当地地热热流密度，单位W/㎡；Δ_τ为一年时间，单位s；H为中深层地热地埋管深度，单位m；ρ为土壤密度，单位kg/m³；C_t为土壤比热容，单位kJ/(kg·℃)；ΔT为土壤控制体每年温度变化。

步骤四中尖峰取热能力计算方法为：从影响传热过程的驱动温差与传热阻力的角度，总结了影响中深层地热地埋管换热性能的外因、内因以及内外协同等因素及其影响情况。定量拟合了中深层地热地埋管换热性能影响因素表达式如公式(2)所示：

其中Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；K为等效换热系数，单位kW/℃；

为土壤平均温度，单位℃；t_in为中深层地热地埋管进口水温，单位℃。

步骤五中根据提取热量确定热泵系统装机容量计算公式如(3)所示：

其中Q_c为中深层地热地埋管热泵供热系统设计供热量，单位kW；Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；COP为中深层地热地埋管热泵供热机组额定制热运行性能。

等效换热系数主要受土壤导热系数、外管导热系数、内管导热系数、地埋管深度、管径以及循环流量的影响，公式如(4)所示：

K＝f(λ_g，λ_o，λ_i，H_E，R，G) (公式4)

其中K为等效换热系数，单位kW/℃；λ_g为土壤导热热系数，单位W/(m·K)；λ_o为中深层地热地埋管外套管导热系数，单位W/(m·K)；λ_i为中深层地热地埋管内套管导热系数，单位W/(m·K)；H_E为中深层地热地埋管深度，单位m；R为中深层地热地埋管管径，单位m；G为中深层地热地埋管循环流量，单位m³/h。

对等效换热系数K经验公式的具体表达式进行了分析，采用固定的管径尺寸，不对其作变工况分析拟合，主要考虑土壤导热系数、内管导热系数、地面管深度以及循环流量的影响，最终拟合公式如(5)所示：

其中，a-k为固定的常数，K_G为中深层地热地埋管循环流量的变化规律，

为土壤导热系数的变化规律，

为内管导热系数的变化规律，

为地埋管深度的变化规律。

对于土壤平均温度，受温升梯度及地埋管深度共同决定，其关系式如公式(6)所示：

其中

为土壤平均温度，单位℃；t_g，s为地表温度，单位℃；H_E为中深层地热地埋管深度，单位m；D为土壤温升梯度，单位℃/m。

对于循环流量G，拟合得到对应土壤导热系数，内管导热系数以及管深的供热季平均取热量随进水温度及循环流量的变化规律；

对于土壤导热系数λg，对不同土壤导热系数下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随土壤导热系数的变化规律；

对于内管导热系数λi，对不同内管导热系数下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随内管导热系数的变化规律；

对于中深层地热地埋管深度H_E，对不同深度下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随深度的变化规律。

对于循环流量G，供热季平均取热量随进水温度及循环流量的变化规律如公式(7)所示：

K_G＝a·G²+b·G+c (公式7)

对于土壤导热系数λg，得到相对等效换热系数随土壤导热系数的变化规律如公式(8)所示：

对于内管导热系数λi，得到相对等效换热系数随内管导热系数的变化规律如公式(9)：

对于中深层地热地埋管深度H_E，得到相对等效换热系数随深度的变化规律如公式(10)：

其中，a-k均为固定的常数。

本发明基于传热学的基本理论，可以保证中深层地热地埋管换热系统长期稳定运行，同时结合间歇运行蓄热特性以及用户侧蓄热水箱，使得中深层地热地埋管具有较大的取热量调节能力，可以通过自身换热特性在短时间起到大容量的调峰作用。

附图说明

图1为深层地热地埋管热泵供热系统设计流程图。

图2为中深层地热地埋管取热性能影响因素分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，具体设计步骤包括：

步骤一、通过建筑供热季供热负荷的模拟分析，得到逐时供热需求，随后确定尖峰供热负荷以及累积供热量。

步骤二、明确项目所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度等基础资料，根据地质条件选取合适的地埋管尺寸及施工流程。

步骤三、结合地热、地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2℃，计算单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值，进而根据需求的累积取热量确定中深层地热地埋管开采数量N。

以一年为周期，中深层地热地埋管仅在供热季取热，而地热热流密度为全年存在，由此通过中深层地热地埋管及其周围土壤控制体每年热量累积收入与支出平衡情况，就可以从理论上分析其长期取热可行性。单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值公式如(1)所示：

Q_a＝F_g·q_c·Δτ+F_g·H·ρ·C_t·ΔT (公式1)

其中Q_a为中深层地热地埋管全年累积取热量推荐值，单位GJ；F_g为土壤控制体横截面积，单位㎡；q_c为当地地热热流密度，单位W/㎡；Δτ为一年时间，单位s；H为中深层地热地埋管深度，单位m；ρ为土壤密度，单位kg/m³；C_t为土壤比热容，单位kJ/(kg·℃)；ΔT为土壤控制体每年温度变化，建议选取为0.2℃。

步骤四、确定完中深层地埋管开采数量后，结合地热地质条件计算单根中深层地埋管尖峰取热量，乘以开采数量N，得到尖峰累积取热量。

尖峰取热能力计算方法为：从影响传热过程的驱动温差与传热阻力的角度，总结了影响中深层地热地埋管换热性能的外因、内因以及内外协同等因素及其影响情况。定量拟合了中深层地热地埋管换热性能影响因素表达式如公式(2)所示：

其中Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；K为等效换热系数，单位kW/℃；

为土壤平均温度，单位℃；t_in为中深层地热地埋管进口水温，单位℃。

步骤五、根据尖峰取热量确定热泵机组装机容量及用户侧水泵、热源侧水泵装机容量。

根据提取热量确定热泵系统装机容量计算公式如(3)所示：

其中Q_c为中深层地热地埋管热泵供热系统设计供热量，单位kW；Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；COP为中深层地热地埋管热泵供热机组额定制热运行性能，建议取值为6.0。

步骤六、若热泵机组装机容量大于建筑实际尖峰供热需求，则以建筑实际供热需求确定热泵机组容量，及用户侧水泵、热源侧水泵装机容量；若热泵机组装机容量小于建筑实际尖峰供热需求，剩余的供热量采用常规热源进行调峰替代。

中深层地热地埋管取热性能影响因素分析，主要包括外因分析、内因分析、内外协同分析：

如图2所示，针对于外因中地热热流密度，具体影响体现为土壤导热系数和地温梯度，前者影响传热阻力，后者决定传热驱动温差，随着导热系数和地温梯度的增加，传热过程的热阻逐渐减小，传热驱动温差逐渐增大，使得整体取热性能逐渐增加。

针对于内因里的管材物性，内管导热系数间接影响到外管水与土壤传热的驱动温差。随着内管绝热性能的增强，单孔取热量逐渐增加。

外管导热系数直接影响传热热阻。但由于外管水与土壤传热热阻中，土壤导热热阻占到绝对主导的地位，因而当外管导热系数大于10W/(m·K)时，增加导热系数的强化换热效果不明显，因而对于外管的强化换热重点应该放在增加外管换热面积上，即管材尺寸的优化。

针对于管材尺寸，随着地埋管深度及管径的增加，外管换热面积逐渐增大，传热阻力逐渐降低，取热性能逐渐提升。且随着地埋管深度的增加，周围土壤温度逐渐上升，传热驱动温差也有所增加，因而整体取热性能强化效果更为明显。

对于运行调控三大关键措施，进水温度、循环流量、连续与间歇运行模式，均影响了外管水与土壤的传热驱动温差。随着进水温度降低，循环流量的增大，传热驱动温差逐渐上升，使得地埋管取热量逐渐增大。

为更好的指导系统的设计与运行调控，本发明根据影响情况的模拟分析，定量拟合了中深层地热地埋管换热性能影响因素表达式如公式(2)所示：

其中Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；K为等效换热系数，单位kW/℃；

为土壤平均温度，单位℃；t_in为中深层地热地埋管进口水温，单位℃。

K为等效换热系数，主要受土壤导热系数、外管导热系数、内管导热系数、地埋管深度、管径以及循环流量的影响，公式如(4)所示：

K＝f(λ_g，λ_o，λ_i，H_E，R，G) (公式4)

其中K为等效换热系数，单位kW/℃；λ_g为土壤导热热系数，单位W/(m·K)；λ_o为中深层地热地埋管外套管导热系数，单位W/(m·K)；λ_i为中深层地热地埋管内套管导热系数，单位W/(m·K)；H_E为中深层地热地埋管深度，单位m；R为中深层地热地埋管管径，单位m；G为中深层地热地埋管循环流量，单位m³/h。

对等效换热系数K经验公式的具体表达式进行了分析，采用固定的管径尺寸，不对其作变工况分析拟合，主要考虑土壤导热系数、内管导热系数、地面管深度以及循环流量的影响，最终拟合公式如(5)所示：

对于土壤平均温度，受温升梯度及地埋管深度共同决定，其关系式如公式(6)所示：

其中

为土壤平均温度，单位℃；t_g，s为地表温度，单位℃；H_E为中深层地热地埋管深度，单位m；D为土壤温升梯度，单位℃/m。

由此便得到了中深层地热地埋管随土壤导热系数、温升梯度、内管导热系数、管深、循环水量变化的定量关系式。

其中，对等效换热系数K经验公式的具体表达式进行了分析，采用固定的管径尺寸，不对其作变工况分析拟合，主要考虑土壤导热系数、内管导热系数、地面管深度以及循环流量的影响。步骤如下：

a、首先对于循环流量，拟合得到对应土壤导热系数3.0W/(m·K)，内管导热系数0.16W/(m·K)，管深2500米深时供热季平均取热量随进水温度及循环流量的变化规律如公式(7)所示：

K_G＝a·G²+b·G+c (公式7)

b、对于土壤导热系数λg，以3.0W/(m·K)对应等效换热系数为基准，对不同土壤导热系数下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随土壤导热系数的变化规律如公式(8)：

c、对于内管导热系数λi，以0.16W/(m·K)对应等效换热系数为基准，对不同内管导热系数下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随内管导热系数的变化规律如公式(9)：

d、对于中深层地热地埋管深度H_E，以2500m深度对应等效换热系数为基准，对不同深度下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随深度的变化规律如公式(10)：

e、联立公式，即可得到中深层地热地埋管等效换热系数K随循环流量、土壤导热系数、内管导热系数、地埋管深度变化的定量表达式，即公式(5)：

以上公式中，对于常系数a-k，本发明根据大量实际工程研究与理论分析，建议设置如表1所示，由此便得到了中深层地热地埋管随土壤导热系数、温升梯度、内管导热系数、管深、循环水量变化的定量关系式。

表1中深层地热地埋管等效换热系数经验公式系数拟合结果

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：根据项目所在地地质地热条件确定单口中深层地热地埋管累计取热量，从影响传热过程的驱动温差与传热阻力的角度，总结影响中深层地热地埋管换热性能的外因、内因以及内外协同因素及其影响情况，进而得到中深层地热地埋管瞬时取热量随土壤导热系数、温升梯度、内管导热系数、管深、循环水量、进水温度变化的定量关系，根据上述影响因素确定地埋管热泵供热系统的供热方式。

2.如权利要求1所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、通过建筑供热季供热负荷的模拟分析，得到逐时供热需求，随后确定尖峰供热负荷以及累积供热量；

步骤二、明确项目所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度，根据地质条件选取合适的地埋管尺寸及施工流程；

步骤三、结合地热地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2℃，计算单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值，进而根据需求的累积取热量确定中深层地热地埋管开采数量N；

步骤四、确定完中深层地埋管开采数量后，结合地热地质条件计算单根中深层地埋管尖峰取热量，乘以开采数量N，得到尖峰累积取热量；

步骤五、根据尖峰取热量确定热泵机组装机容量及用户侧水泵、热源侧水泵装机容量；

步骤六、若热泵机组装机容量大于建筑实际尖峰供热需求，则以建筑实际供热需求确定热泵机组容量，及用户侧水泵、热源侧水泵装机容量；若热泵机组装机容量小于建筑实际尖峰供热需求，剩余的供热量采用常规热源进行调峰替代。

3.如权利要求2所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：所述步骤三中单口中深层地热地埋管累积取热量的推荐值公式如(1)所示：

Q_a＝F_g·q_c·Δτ+F_g·H·ρ·C_t·ΔT (公式1)

其中Q_a为中深层地热地埋管全年累积取热量推荐值，单位GJ；F_g为土壤控制体横截面积，单位m²；q_c为当地地热热流密度，单位W/m²；Δτ为一年时间，单位s；H为中深层地热地埋管深度，单位m；ρ为土壤密度，单位kg/m³；C_t为土壤比热容，单位kJ/(kg·℃)；ΔT为土壤控制体每年温度变化。

4.如权利要求3所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：步骤四中尖峰取热能力计算方法为：从影响传热过程的驱动温差与传热阻力的角度，总结了影响中深层地热地埋管换热性能的外因、内因以及内外协同等因素及其影响情况。定量拟合了中深层地热地埋管换热性能影响因素表达式如公式(2)所示：

其中Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；K为等效换热系数，单位kW/℃；

为土壤平均温度，单位℃；t_in为中深层地热地埋管进口水温，单位℃。

5.如权利要求4所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：所述步骤五中根据提取热量确定热泵系统装机容量计算公式如(3)所示：

其中Q_c为中深层地热地埋管热泵供热系统设计供热量，单位kW；Q_e，max为中深层地热地埋管尖峰取热功率，单位kW；COP为中深层地热地埋管热泵供热机组额定制热运行性能。

6.如权利要求4所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：所述等效换热系数主要受土壤导热系数、外管导热系数、内管导热系数、地埋管深度、管径以及循环流量的影响，公式如(4)所示：

K＝f(λ_p，λ_o，λ_i，H_E，R，G) (公式4)

其中K为等效换热系数，单位kW/℃；λ_g为土壤导热热系数，单位W/(m·K)；λ_o为中深层地热地埋管外套管导热系数，单位W/(m·K)；λ_i为中深层地热地埋管内套管导热系数，单位W/(m·K)；H_E为中深层地热地埋管深度，单位m；R为中深层地热地埋管管径，单位m；G为中深层地热地埋管循环流量，单位m³/h。

7.如权利要求6所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：对等效换热系数K经验公式的具体表达式进行了分析，采用固定的管径尺寸，不对其作变工况分析拟合，主要考虑土壤导热系数、内管导热系数、地面管深度以及循环流量的影响，最终拟合公式如(5)所示：

其中，a-k为固定的常数，K_G为中深层地热地埋管循环流量的变化规律，

为土壤导热系数的变化规律，

为内管导热系数的变化规律，

为地埋管深度的变化规律。

8.如权利要求7所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：对于土壤平均温度，受温升梯度及地埋管深度共同决定，其关系式如公式(6)所示：

其中

为土壤平均温度，单位℃；t_g，s为地表温度，单位℃；H_E为中深层地热地埋管深度，单位m；D为土壤温升梯度，单位℃/m。

9.如权利要求7所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：对于循环流量G，拟合得到对应土壤导热系数，内管导热系数以及管深的供热季平均取热量随进水温度及循环流量的变化规律；

对于土壤导热系数λg，对不同土壤导热系数下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随土壤导热系数的变化规律；

对于内管导热系数λi，对不同内管导热系数下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随内管导热系数的变化规律；

对于中深层地热地埋管深度H_E，对不同深度下等效换热系数进行无量纲化，从而得到相对等效换热系数随深度的变化规律。

10.如权利要求9所述的针对中深层地热地埋管热泵供热系统的设计方法，其特征在于：对于循环流量G，供热季平均取热量随进水温度及循环流量的变化规律如公式(7)所示：

K_G＝a·G²+b·G+c (公式7)

对于土壤导热系数λg，得到相对等效换热系数随土壤导热系数的变化规律如公式(8)所示：

对于内管导热系数λi，得到相对等效换热系数随内管导热系数的变化规律如公式(9)：

对于中深层地热地埋管深度HF，得到相对等效换热系数随深度的变化规律如公式(10)：

其中，a-k均为固定的常数。

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