一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法与流程

本发明属于暖通空调，具体涉及一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法。

背景技术：

1、中深层同轴套管井主要提取位于地表以下2000-3000m的地热能为建筑供热，其换热具有“取热不取水”的特点，在保护地下水方面具有积极作用，符合我国的生态文明建设理念。

2、中深层同轴套管井由注入井和采出井组成，如图1所示，其组成部分由中心向外分别是内管、环腔和回填材料(图2)。在换热过程中，较低温度的流体从注入井流入，与具有温度梯度的中深层岩土体进行热交换，直至套管井底部结束换热。在采出井中，流体自下向上流动被输送至地表，在井内完成换热的流体与热泵机组进行热交换，最后将热量供给热用户。

3、中深层同轴套管井近年来受到供热行业的高度关注，但由于不同地区地热地质条件的差异性，应用于不同地区的供热能力存在差异。为确保中深层同轴套管井可以高效可持续热提取，需对其进行针对性运行设计。一些学者提出了中深层同轴套管井的数值仿真模型，旨在预测其供热能力，为运行设计奠定了技术支撑。当前，数值仿真计算也成为了预测中深层同轴套管井供热能力并进一步进行设计参数选取的基本方法。

4、目前针对中深层同轴套管的设计基于单个供暖季的换热性能，没有充分考虑在长周期热提取期间换热性能的变化情况，进而无法确保全生命周期热提取的可行性和节能性。在当前中深层同轴套管井的运行设计中，尚未考虑在“供暖季取热、非供暖季停歇运行”特点导致供热性能变化的影响，认为中深层岩土体温度在非供暖季期间可以快速恢复，可以保证中深层同轴套管井的长期稳定供热。然而，根据目前研究表明，中深层同轴套管井在长期供热期间存在一定程度的衰减，在设计之前需要对其进行分析。在当前中深层同轴套管井运行参数的确定中，仅考虑其对热泵机组cop的影响，没有充分考虑运行参数对热源侧整体能效的影响。同时，目前对cop影响的分析仅局限于短暂时期的热提取阶段，而中深层同轴套管井具有热响应时间长的特点，其对cop的影响是全生命周期内的，因此，当前的设计结果很可能导致系统能效低下。中深层同轴套管井影响因素众多，尚未厘清其中运行设计参数与供热能力、供热性能之间关系，没有形成完备的高效可持续热提取的运行设计方法。

技术实现思路

1、为了克服现有中深层同轴套管的设计的缺陷，本发明所述的一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，包括如下步骤：

2、步骤1、建立中深层同轴套管井换热模型；

3、步骤2、计算在热提取期间中深层同轴套管井的进、出口水温；

4、步骤3、计算在停歇期间中深层同轴套管井的进、出口温度；

5、步骤4、确定热泵机组季节性能系数；

6、步骤5、确定热源侧季节性能系数；

7、步骤6、确定中深层同轴套管井的最优运行参数与最佳供热能力。

8、进一步的，所述中深层同轴套管井换热模型分为热提取阶段换热模型、停歇阶段换热模型。

9、进一步的，所述热提取阶段换热模型包括：

10、1)内管流体的能量方程为：

11、

12、式中，tfr为内管流体温度， ℃；vfr为内管流体流速，m·s-1；kff为内管流体与环腔流体间的综合传热系数，w·m-1·k-1；tfan为环腔流体温度， ℃；ρf为流体密度，kg/m3；cpf为流体比热容，ar为内管横截面积，m2；

13、

14、式中：hr——内管中流体与管壁的对流换热系数/w·m-2·k-1；r1——内管内径/m；λr——内管导热系数/w·m-1·k-1；r2——内管外径/m；hr——环腔中流体与管壁的对流换热系数/w·m-2·k-1；

15、环腔流体的能量方程为：

16、

17、式中，vfan为环腔流体流速，m·s-1；kfg为环腔流体与回填材料的综合传热系数，w·m-1·k-1；tg为回填材料温度，℃；aan为环腔横截面积，m2；

18、

19、式中：r1——外管内径/m；λr——外管导热系数/w·m-1·k-1；r2——外管外径/m；λg——回填材料导热系数/w·m-1·k-1；rb——钻井半径/m；

20、2)回填材料的能量方程如下：

21、

22、式中，ρg为回填材料密度，kg·m3；ag为回填材料横截面积，m2；cpg为回填材料比热容，j·kg-1·k-1；kgb为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，w·m-1·k-1；tbw为钻井壁温度，℃；

23、3)岩土体的能量方程如下：

24、

25、式中，ρs为岩土体密度，kg·m3；cps为岩土体比热容，j·kg-1·k-1；ts为岩土体温度，℃；λs为岩土体导热系数，w·m-1·k-1；

26、随后进行初始条件与边界条件的设置：

27、中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布为：

28、ts0(zs,r)＝tsur+g×zs(7)

29、式中，ts0(zs,r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布， ℃；tsur为地表温度， ℃；g为地温梯度， ℃·m-1；zs为岩土体深度，m；

30、岩土体区域的底边界设定在距换热器底部以下垂直距离200m处，受大地热流的影响，满足如下关系：

31、

32、式中，h为换热器长度，m；qbot为大地热流密度，w·m-2，该值由地温梯度与岩土体导热系数的乘积计算得到；

33、岩土体区域的径向远边界设定为绝热边界：

34、

35、钻井壁的两侧分别是回填材料与岩土体，二者与钻井壁之间的热流密度在换热过程中相等，可由下式表达：

36、kgb(tg-tb)+kbs(ts1-tb)＝0(10)

37、式中：kbs为钻井壁与岩土体间传热系数/w·m-1·k-1；ts1为与钻井壁相邻的岩土体温度/℃。

38、进一步的，所述停歇阶段换热模型包括

39、1)内管流体的能量方程为：

40、

41、式中，k'ff——停歇阶段内管流体与环腔流体间的传热系数/w·m-1·k-1；

42、

43、环腔流体的能量方程为：

44、

45、式中，k'fg——停歇阶段环腔流体与回填材料间的传热系数/w·m-1·k-1；

46、

47、2)回填材料的能量方程如下：

48、

49、式中，ρg为回填材料密度，kg·m3；ag为回填材料横截面积，m2；cpg为回填材料比热容，j·kg-1·k-1；kgb为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，w·m-1·k-1；tbw为钻井壁温度，℃；

50、3)岩土体的能量方程如下：

51、

52、式中，ρs为岩土体密度，kg·m3；cps为岩土体比热容，j·kg-1·k-1；ts为岩土体温度，℃；λs为岩土体导热系数，w·m-1·k-1；

53、随后进行初始条件与边界条件的设置：

54、中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布为：

55、ts0(zs,r)＝tsur+g×zs(7)

56、式中，ts0(zs,r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布， ℃；tsur为地表温度， ℃；g为地温梯度， ℃·m-1；zs为岩土体深度，m；

57、岩土体区域的底边界设定在距换热器底部以下垂直距离200m处，受大地热流的影响，满足如下关系：

58、

59、式中，h为换热器长度，m；qbot为大地热流密度，w·m-2，该值由地温梯度与岩土体导热系数的乘积计算得到；

60、岩土体区域的径向远边界设定为绝热边界：

61、

62、钻井壁的两侧分别是回填材料与岩土体，二者与钻井壁之间的热流密度在换热过程中相等，可由下式表达：

63、kgb(tg-tb)+kbs(ts1-tb)＝0 (10)

64、式中：kbs为钻井壁与岩土体间传热系数/w·m-1·k-1；ts1为与钻井壁相邻的岩土体温度/℃；

65、但在模型求解方面，由于中深层同轴套管井内流体处于静止状态，结合回填材料能量方程(5)和钻井壁两侧热流密度关系式(10)，可以将内管流体、环腔流体、回填材料、钻井壁的能量方程转化为式15，整体如下：

66、

67、式中：

68、

69、

70、a43＝kgb,a44＝-kgb-kbs

71、

72、进一步的，所述步骤2、计算在热提取期间中深层同轴套管井的进、出口水温的方法是联立公式(1)～(10)，采用tri-diagonal matrix algorithm进行求解，可获得内管流体温度和环腔流体温度分布，进、出口水温分别为tr1、tr1。

73、进一步的，步骤3、计算在停歇期间中深层同轴套管井的进、出口温度的方法是通过联立式(11)～(15)，数值计算得到在停歇期间内管流体温度和环腔流体温度分布，中深层同轴套管井的进、出口温度分别为tr1、tr1。

74、进一步的，所述步骤4、确定热泵机组季节性能系数的计算公式是：

75、

76、式中：cophp为热泵机组性能系数，nt为每年热提取阶段的总时长；热泵机组性能系数cophp可由下式计算：

77、

78、式中，qsystem为热泵机组供热量/kw；qcom为热泵机组压缩机功耗/kw；

79、其中，热泵机组供热量为中深层同轴套管井供热量与压缩机功耗之和：

80、qsystem＝qdbhe+qcom  (17)

81、式中，qdbhe为中深层同轴套管井供热量/kw；

82、根据相关研究表明，地源热泵机组性能系数cophp与地埋管换热器出口水温tout成一定比例关系，可以根据样本数据进行数值拟合，表达关系如下：

83、cophp＝atout+b  (18)

84、通过样本数据中cophp与tout的对应关系，采用多项式拟合的方法可确定公式(18)中的a和b；由此，可根据中深层同轴套管井在换热过程中的出口水温计算得到对应的热泵机组性能系数cophp。

85、进一步的，所述步骤5、确定热源侧季节性能系数的计算公式是：

86、

87、式中：cophs为热源侧性能系数，nt为每年热提取阶段的总时长；

88、热源侧性能系数cophs由下式计算：

89、

90、式中，wpump为水泵功耗/kw；

91、水泵功耗由下式计算：

92、

93、式中，p为流体在换热器内流动产生的压力降/pa；m为循环流量/m3·h-1；η为水泵效率；

94、根据式(16)、式(17)和式(18)，对压缩机功耗进行计算，如下：

95、

96、将其带入至式(19)中，可得到热源侧性能系数cophs。

97、进一步的，所述步骤6、确定中深层同轴套管井的最优运行参数与最佳供热能力的具体要求是：

98、(1)确定中深层同轴套管井在全生命周期运行中的准稳态热提取阶段；

99、(2)分析并确定准稳态热提取阶段中深层同轴套管井进、出口最低允许温度与供热能力和运行参数的分布曲线；

100、(3)分析并确定准稳态热提取阶段中深层同轴套管井运行的最低允许季节性能系数与供热能力和运行参数的分布曲线；

101、(4)明确高于最低允许温度与最低允许季节性能系数的参数分布区域，以供热能力最大为条件，确定最优运行设计条件以及对应的最佳供热能力。

102、进一步的，所述步骤6、确定中深层同轴套管井的最优运行参数与最佳供热能力的具体要求是：

103、(1)确定中深层同轴套管井在全生命周期运行中的准稳态热提取阶段；

104、(2)分析并确定准稳态热提取阶段中深层同轴套管井进、出口最低允许温度与供热能力和运行参数的分布曲线；

105、(3)分析并确定准稳态热提取阶段中深层同轴套管井运行的最低允许季节性能系数与供热能力和运行参数的分布曲线；

106、(4)明确高于最低允许温度与最低允许季节性能系数的参数分布区域，以供热能力最大为条件，确定最优运行设计条件以及对应的最佳供热能力。

107、本发明的有益效果：本发明提供的这种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，首先，根据中深层同轴套管井在长周期运行过程中的供暖季取热、非供暖季停歇的运行特点，开发了长周期热提取的高效计算模型；其次，根据中深层同轴套管井的非稳态换热特点，同时考虑水泵功耗对热源侧性能的影响，提出以热泵机组季节性能系数和热源侧季节性能系数的双指标运行性能评价准则，分析在全生命周期内的运行性能；最后，从满足运行的可行性与节能性出发，提出确定中深层同轴套管井高效可持续热提取的最优运行参数与最佳供热能力的设计方法。本发明以全生命周期角度对中深层同轴套管井运行的可行性与节能性进行综合设计，对高效可持续热提取具有实际指导意义。

108、以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。