中深层水平连通地热井取热特性研究

高效取热技术是实现地热效益化开发的关键,建立了水平连通地热井数值仿真模型,计算了连续开采和间歇开采工况下的出口流体温度和换热量,研究了注入温度、注入流量、水平段长度对系统换热性能和岩层温度恢复能力的影响。结果表明,随着注入流量增加,地热井出口水温下降,但整个系统换热量提高;当注入温度较高时,可有效提高出口水温,但系统换热量降低较大;随着水平段长度增加,出口水温和换热量逐渐上升,换热性能提高;岩层温度恢复能力随注入流量和注入温度的增加而提高。综合考虑钻井成本、水泵功耗等因素,适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度能有效提高水平连通换热井的换热性能;虽然高的注入温度可提升岩层温度恢复能力,但不利于提高系统换热性能。

中深层水热型地热资源集群式开发井位部署参数研究与应用——以HTC地热田为例

在中国“双碳”战略背景下,清洁能源的高效开发利用逐渐成为各行业关注的焦点,而中深层水热型地热资源是一种储量丰富、运行稳定、绿色环保的清洁能源。近年来,随着地热资源开发利用程度逐渐增加,开发模式逐渐向集群式发展,相比以往的分布式开发模式,集群式开发具有经济、稳定、抗风险能力高、改扩建能力强等优点。但开发模式、采灌井网、采灌井距等关键参数仍在探索阶段,这些参数对集群式开发影响明显,亟须对此开展机理研究、优化关键参数。以HTC地热田作为研究对象,利用数值模拟技术,耦合地下温度场、压力场、水流场建立数学模型,分析不同开发模式、采灌井网、采灌井距条件下地下温度场、压力场、水流场变化规律,确定最优参数,指导矿场生产。实践证实,该方法可有效保障地热开发项目稳定运行,实现地热开发项目经济效益最优化。

温室大棚地热能与空气能多能互补能源配比研究

“双碳”目标下采用可再生能源解决温室大棚的供冷、供暖,构建安全、绿色、智慧、高效的能源系统成为了温室大棚的发展方向。近年来,中深层地热能、浅层地热能、空气能在温室大棚供热中的应用得到快速发展。以河南省周口市扶沟县某农业产业园为例,结合区域地热资源情况,提出了中深层地热+地源热泵+水源热泵、中深层地热+地源热泵+空气源热泵、地源热泵+空气源热泵、地源热泵+水源热泵4种可再生能源配比方案。结果表明:地源热泵+水源热泵投资最高,地源热泵运行费用是中深层地热的2.01倍,空气源热泵运行费用是水源热泵1.95倍,地源热泵运行费用与水源热泵相相近。能源利用优先级排序为中深层地热能>地源热泵>水源热泵>空气源热泵,采用中深层地热+地源热泵+水源热泵方案为最优的能源搭配方式。

中深层套管式地埋管地源热泵系统能效分析

中深层套管式地埋管地源热泵系统的能效受多种因素影响,为保证其高效运行,对其影响因素进行研究尤为重要。本文建立了中深层套管式地埋管地源热泵系统换热器传热模型,采用工程实测数据验证该模型的准确性。基于该模型,量化了一个供暖期内多种因素对系统能效的影响。结果表明:进口水温和岩土导热系数对系统能效具有重要影响,回填材料导热系数对其影响较小;增大循环流量会提高取热功率,但系统能效也随之降低,当循环流量由8.33 kg/s增大至10.56 kg/s时,取热功率提升4.95%,能效下降1.23%;增大外管管径、岩土和回填材料的导热系数能够提升系统能效,但达到一定数值后,对能效提升效果不显著。本研究对中深层套管式地埋管地源热泵系统长期稳定运行及能效提升具有参考意义。

PV/T耦合中深层地源热泵供暖系统运行特性研究

为解决中深层地源热泵系统(GSHP)地温衰减的问题,以邯郸市某民用节能建筑为研究对象,基于TRNSYS建立一种PV/T耦合中深层地源热泵系统(PV/T-GSHP),并与GSHP系统对比,模拟分析运行20 a PV/T-GSHP系统运行特性。探究PV/T组件的相关参数对土壤平均温度的影响。最后,将PV/T-GSHP系统与其他系统进行能耗对比。研究结果表明:与GSHP系统相比,PV/T-GSHP系统机组COP从6.44提高到6.81,但由于增加了泵功,系统COP降到2.38,但考虑发电量,平均每年可获得10015.831元收益;相似结构建筑PV/T组件屋顶铺设占比越大,集热泵流量越小,土壤平均温升越快;不考虑发电量时,PV/T-GSHP系统比燃气锅炉系统能耗高8.46%,与燃煤锅炉和电锅炉系统相比,分别可节约11.04%和48.55%的能耗;综合发电量时,20 a实际获得的发电量收益折合成燃煤量为210.05 t。

基于环境承载力的中深层地热资源评估方法

中深层地热资源在我国分布广泛、资源禀赋良好、储量大。目前地热资源评价方法主要用于评价浅层地热能,并且未考虑环境承载力、开采经济性等因素,难以用于指导中深层地热资源的开发。从多角度量化中深层地热资源开发潜力,将资源环境承载力评价体系应用于中深层地热资源评价。本体系集合地热资源禀赋、环境影响、社会经济技术条件三类因素,综合考虑了热储埋深、温度等因素,并结合层次分析法及统计学方法明确了分级指标和权重赋分。基于提出的中深层地热资源评价体系对典型区域的中深层地热资源进行潜力和远景评估,可为中深层地热资源开发提供理论指导。

关中地区中深层地埋管换热器长期运行性能研究

我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高陵区、西安市鄠邑区、西安市长安区5个典型区域的地质参数,结合典型地埋管结构参数,对长期运行下的换热器性能及热作用半径变化规律进行模拟计算。结果表明,不同地区换热器运行之初的性能变化较为显著,但均在经过5 a左右运行后趋于稳定。地埋管深度从2000 m增至2500 m时,出口水温有着明显的提升,同一时刻下出口水温的涨幅可达8%,各采暖季末的出口水温随深度增加的变化更为显著。由于长期运行,年平均取热功率呈现下降趋势,20 a内的总降幅为11%~12%;随着换热器埋深的增加,取热功率涨幅可达41.41%~53.23%。热作用半径受埋深的影响不显著,不同埋深管道运行20 a后的井底最大热作用半径均在50 m左右;土壤温度受与换热器距离及运行时长的影响更大,距离20 m以内的土壤温度呈现明显的波动下降趋势,而距离在60 m以外的土壤温度在20 a的运行期内降幅很小。此外,由于具有大厚度新近系张家坡组(N2z)和新近系蓝田-灞河组(N2l+b)的地质条件,西安市鄠邑区、高陵区以及咸阳市兴平市等地区地埋管的出口水温、取热功率较高,更适宜开展中深层地热能供暖利用。研究成果有望为关中地区中深层地热能高效利用提供参考。

储热对中深层套管式地埋管供热系统能效提升的影响

针对中深层套管式地埋管供热系统长期运行存在地下岩土冷堆积、系统取热能力下降等问题,文章建立了中深层套管式地埋管换热器传热数值模型,基于有限差分法对控制方程进行离散,采用实验数据验证模型的准确性。分别研究了储热水温以及储热水质量流量对次年供暖季地埋管取热功率、系统能耗和系统能效的影响。研究结果表明:储热首先应确定储热水温的阈值,进口水温低于阈值将无法实现向岩土储热,该研究工况下的储热水温阈值为50℃,运行500 h后,当进口水温从50℃增加到80℃时,取热功率、系统能耗、能效分别提高54.41 kW,8.96 kW,0.17;当储热水质量流量从1 kg/s提高到7 kg/s时,取热功率、系统能耗、能效分别提高7.71%,6.34%,1.19%。因此,建议采用小流量高水温进行储热,能够提高储热效果并减少能耗。该研究为中深层地源热泵系统储热提供理论基础。

长沙某地区同轴套管式中深层地热试验井换热及恢复性能研究

在能源结构亟待转型背景下,中深层地热资源展现出了极大优势和开发潜力,但地热资源受地域差异性影响较大,实测研究相对匮乏,给产业规模化应用带来了阻力。本文针对中南地区中深层地热实测研究空缺现实情况,首次基于长沙地区中深层地热试验井,通过分布式光纤实时监测和换热试验测试,探索该区中深层地热资源情况、换热性能和地温恢复能力。试验结果表明:该区中深层地热资源具有良好开发潜力,井底2611m温度达82.8℃,全井平均地温梯度为2.47℃/100m,试验期稳定换热功率达到534.7kW;循环流量与地埋管换热功率呈正相关,与工质温升呈负相关;井温恢复呈现初期快后期慢特点,前24h完成50%的温度恢复量,纵向深度呈现深处快浅处慢的情形,井底温度完全恢复时,300m深处温度仅恢复至初始工况74.6%;与北方高异常区资源禀赋对比,长沙地区中深层地热条件仍处于劣势。

“双碳”背景下河南省地热开发现状和发展趋势研究

近年来,随着实现碳中和政策的持续推进,清洁供暖趋势日益明显。该文分析了河南浅层地热能资源分布情况。整体来看,省内可利用的浅层地热能储量为3.2×10^(15 )kJ/a,具有良好的开发利用条件;中深层地热能主要以砂岩热储和岩溶型热储为主,按照4000 m以浅计算,中深层地热资源可采资源量110.8×10^(8) GJ。目前河南浅层地热能开发方式以商业、公共建筑为主,中深层地热能利用方式由早期的温泉开发转变为地热供暖。但由于地热勘察资料的综合利用及管理机制不明,制约了河南地热能高质量发展。建议开发利用过程中,在行政管理流程、运营监管政策方面做好优化,加快地热能开发,对改善大气环境、促进能源生产和革命具有重要意义。

通许县中深层地热资源特征及潜力分析

地热资源是一种清洁可再生的能源,对于调整能源结构应对气候变化有重要作用。根据通许县所处区域构造位置,分析了研究区地温梯度变化规律。通过对地热地质条件、热储结构和热储层特征的分析研究,得出热储层主要为新近系松散岩类孔隙热储层和寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层。采用水头允许降深法计算了热储层储存热量,新近系热储层储存热能总量为2176.48×10^(16) J,折合标准煤74263×10^(4) t;寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层储存热能总量为7347.28×10^(16) J,折合标准煤250696×10^(4) t。采用热突破公式计算回灌条件下地热流体可开采量,新近系热储层可采热量7.21×10^(13) kJ/a,折合标准煤246.01×10^(4) t/a;寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层可采热量24.35×10^(13) kJ/a,折合标准煤830.84×10^(4) t/a。对地热井井间距进行了模拟论证,给出了合理的抽灌井井间距,为地热资源的科学开发利用提供了依据。

寒冷地区分布式清洁供暖技术研究进展

分布式清洁能源已应用于北方寒冷地区供暖中,本文分析了我国北方现有分布式清洁供暖技术的优劣,包括太阳能供暖、空气源热泵、污水源热泵、土壤源热泵、中深层无干扰地热和天然气供暖等,并对其在清洁供暖中存在的共性问题进行分析,探讨解决路径。研究发现:太阳能供暖多作为常规采暖的辅助热源;准双级压缩可解决空气源热泵室外机结霜问题;地源热泵可为唯一供暖热源方式,应用受周围可提供热源的限制;天然气供暖热保证率好,造价高。受国家鼓励机制影响,多能互补、系统集成将是今后清洁供暖领域发展的热点。

LNG冷能与中深层地热能驱动的发电系统性能分析与优化

结合LNG冷能和中深层地热能特点,根据梯级用能理论,构建LNG冷能与中深层地热能驱动的联合循环发电系统,系统主要由LNG直接膨胀部分、地热单级闪蒸循环及回热式有机朗肯循环三部分组成。基于Peng-Robinson状态方程,选用模拟软件HYSYS,对发电系统进行模拟计算,研究关键参数对系统热效率、?效率和平均能源成本的影响。结果表明,随着地热水蒸发压力的增大,循环热效率提升13.99%,?效率提升7.58%,平均能源成本减小2.81%;LNG气化压力的增大使得循环热效率提升9.39%,?效率提升3.13%,平均能源成本减小8.01%;天然气外输压力的增大使得热效率降低20.93%,?效率提升38.44%,平均能源成本增加25.21%。利用遗传算法对系统进行单目标优化,结果显示系统最大热效率为37.37%,最大?效率为53.92%,最低总成本率为0.782百万美元/a。

水热型中深层地热在热源厂的应用分析

通过工程设计实例论述水热型中深层地热在热源厂的应用分析,包括技术路线分析、设计方案分析、装机选型以及中深层地热的适用性分析等。通过对水热型中深层地热的梯级利用,加热市政热网的回水,进一步加大片区内的可再生能源的利用、降低化石能源的消耗,达到节能减排的目的。

A公司科技园项目中深层地热供热技术方案研究

项目供热面积约1.14×10^(5)m^(2),总热负荷7000 k W,采用中深层地热供热,平均热负荷为4859.09 kW,项目年耗热量为62959.68 GJ。热源为1口水热型地热井,按照“一采一灌、同层回灌、取热不耗水”的模式进行建设,配套回灌井1口。利用中深层地热水作为供热热源,冬季提供45℃/40℃采暖循环水,采用“板换直供+热泵机组调峰”的方式为项目供热。按照30年运行期测算,中深层地热方案相比于天然气锅炉方案可节省费用1.127738×10^(8)元。

地埋管技术研究现状与展望

地源热泵技术是利用地热能的重要方式之一,地热能可代替常规能源用于建筑物的制冷和供热,在建筑节能减排中起到积极作用。地埋管是地源热泵系统的重要部件,目前关于地埋管技术研究主要集中在浅层(40~200 m)和中深层(1 500~3 000 m)地埋管,浅层和中深层地埋管技术发展为中浅层(200~600 m)地埋管技术的研究提供参考。中浅层地埋管的单井换热量数倍于浅层地埋管,并且可以承担更大的冷热负荷不平衡率,拓宽了地源热泵的应用范围。文中总结了浅层、中浅层和中深层地埋管的基本原理、理论研究和技术应用,对未来技术发展提出展望。

中深层U型埋管换热器数值传热模型精准度影响因素研究

为研究中深层U型对接井地埋管换热器与其周围岩土体传热过程的数值计算模型准确性,文章以实验项目地层与地温特征作为背景,建立了数值传热模型,基于有限差分法将控制方程进行离散求解,并用商用软件对模型进行了验证。定量分析了控制方程的坐标变化系数、数值计算的空间步长、时间步长、径向边界位置以及模拟运行时长等模拟条件变化对模拟结果的影响,为模型研究和工程计算提供了基础数据参考;定量地计算了U型对接井中拐点位置热干扰对换热器出口循环水温度的影响;对用于数值计算的几何模型进行了研究,建立了5种不同的几何模型,其数值计算结果中换热器取热量最大相差54 kW,最小相差0.75 kW,最大偏差超过5%。

岩土分层对中深层U型对接井换热性能的影响

中深层U型对接式换热井出水温度高、取热能力大、井内流动阻力小,是理想的中深层地热能换热形式。基于热阻串联理论,建立了中深层U型对接式换热井地下换热的分层解析计算模型,并采用实测结果进行了验证。在建立解析模型的基础上,选取关中盆地作为研究区域,分析了地下3000 m以浅深度范围内的岩土导热系数和体积比热分层变化对中深层U型对接式换热井整个采暖期内出水温度和取热量的影响。结果表明:岩土导热系数分层对地下换热特性有较大影响,根据平均导热系数计算会高估井口出水温度和取热量,偏差值介于6%~15%;岩土体积比热分层对地下换热特性影响较小。在中深层U型对接式换热井的设计和传热性能分析中,应考虑地下分层的影响,建议分层数量不低于8层。

中深层套管式换热器可持续供热性能及优化设计研究

中深层套管式换热器的热提取具有“取热不取水”的特点,是我国北方地区稳妥推进中深层地热能供暖的重要技术之一。针对当前中深层套管式换热器在长期热提取期间供热性能不明的问题,本文基于可持续供热的运行特点,建立数值换热模型分析换热器水温、性能系数随运行年份的变化规律,并针对性地开展设计优化研究。结果表明:在可持续供热过程中,换热器水温在前5年的下降程度较为明显,运行至20年以后,基本不发生变化。换热器季节性能系数的下降程度受岩土体导热系数的影响较大,在1.5 W/(m·K)条件下的SPF1、SPF2分别下降11.50%和10.56%,在3.0 W/(m·K)条件下的SPF1、SPF2则分别下降4.73%和4.23%。岩土体导热系数越小,换热器供热性能的下降程度越明显。基于可持续供热性能的变化规律,提出以“准稳态特征年”的供热性能为基准进行设计,并综合考虑运行要求与节能性要求优化换热器的运行条件,明确了在不同地热特征参数、埋管深度下的最优运行流速与最佳供热负荷的分布情况,对中深层套管式换热器的高效可持续供热设计具有实际指导意义。

中深层地埋管地热供热系统长期取热性能评价与经济性分析

使用开源数值模拟软件OpenGeoSys建立了中深层地埋管换热器三维数值模型,探究了不同钻井深度下的中深层地埋管换热器长期取热性能并进行了系统经济性分析。结果表明:随着中深层套管式地埋管换热器钻井深度的增加,其取热能力明显提升,但与此同时初投资与运行成本也将增加;综合考虑系统初投资及耦合热泵和循环水泵运行成本,在给定参数条件下,钻井深度为2600 m的中深层地埋管地热供热系统具有最低的平均能源成本,系统投资回收期为10 a左右。