[科普中国]-地热换热过程

地热

地热是来自地球内部核裂变产生的一种能量资源。地球上火山喷出的熔岩温度高达1200℃～1300℃，天然温泉的温度大多在60 ℃以上，有的甚至高达100 ℃～140 ℃。这说明地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能。这种热量渗出地表，于是就有了地热。地热能是一种清洁能源，是可再生能源，其开发前景十分广阔。

地壳内部的温度产生的热量，它的热量是哪里来的呢。一般认为，是由于地球物质中所含的放射性元素衰变产生的热量。有人估计，在地球的历史中，地球内部由于放射性元素衰变而产生的热量，平均为每年5万亿亿卡（即卡路里）。这是多么巨大的热源啊。1981年8月，在肯尼亚首都内罗毕如开了联合国新能源会议，据会议技术报告介绍，全球地热能的潜在资源，约为，相当于全球能源消耗总量的45万倍。地下热能的总量约为煤全部燃烧所放出热量的1.7亿倍。丰富的地热资源等待我们去开发。到2050年，根据不同部门的估算，中国地热发电装机容量可以分为高中低三种方案：高方案为3.6亿千瓦（约占中国电力总装机容量的30%），中方案为2.4亿千瓦（约占中国电力总装机容量的20%），低方案为1.2亿千瓦（约占中国电力总装机容量的10%）。地热不仅仅限制于地球上，将来人们可以到遥远的外太空，开发地热资源。1

换热换热是指冷热两流体间所进行的热量传递，是一种属于传热过程的单元操作。

换热的目的主要有：

①物料的加热、冷却、汽化或冷凝，以达到或保持生产工艺所要求的温度或相态；

②热量的综合利用，用待冷却的热流体向待 加热的冷流体供热，以提高热量利用率。

简介地热换热过程主要通过地热换热器完成。在地热利用中，地埋管的型式多种多样，深浅不一，当前国内外对于地热换热器的理论研究中关于地埋管换热器计算模型也很多，主要模型有线热源模型、柱热源模型、Eskilson模型。

线热源模型在地源热泵U型竖直埋管换热计算中广泛采用无限长线热源模型，一种解析解模型，由Ingersoll在开尔文线源理论基础上建立，确定无限大介质内任一点在任一时刻的温度分布。因为钻孔直径相对埋管深度来说是很小的，所以它将埋于地下的竖直U型管看作一根无限长且均匀吸热的线热源。

该模型具体假定条件：

a）地下土壤的初始温度均匀，且被近似为无限大的传热介质；

b）地下土壤的热物性是均匀的，且不随土壤温度的变化而变化，即具有常物性；

c）不考虑地表的传热，且忽略地下水的流动；

d）忽略沿U型管轴向的传热，只考虑径向的一维导热；

e）忽略钻孔的几何尺度而把钻孔近似为轴心线上无限大的线热源；

f）管内热流恒定。

柱源模型柱源模型，1985年由Kavanaugh建立，他将钻孔内部的U型管视为圆柱体热源模型，得到了地埋管换热器周围土壤的温度分布。该模型把U型埋管的两支管脚统一为一当量管，当量直径用dP。一扬来近似代替，与线源模型相比而言，无限大区域中的圆柱热源传热模型更符合实际。

圆柱模型的其他假定条件与无限长线热源模型相同。

Eskilson模型Eskilon模型是基于有限长线热源的解析解。该模型确定了基于无因次温度响应因子的多孔地下热交换器的温度响应，称为g函数。

该模型特点：

①考虑到钻孔长度的有限性;

②考虑到供暖季四个月不同的热负荷对换热效果的影响，计算结果更加符合实际。

换热过程分析地热井的换热过程中，热量传递存在两种不同的方向，一是当管道内水流温度低于管道外岩层温度时，热量由岩层向流体传递，这一区域主要存在于地热井的下行段下部、水平段和上行段的下部;二是当管道内水流温度高于管道外岩层温度时，热量由流体向岩层传递，这一区域主要存在于地热井的下行段上部和上行段上部。地热井的换热方式以传导和对流为主，在地热井管道内，换热以对流为主;在地热井管道外，换热以传导为主，以对流为辅。

由于在地热井采热过程中，存在两种物理现象，一个是管内水流在流动过程中，与管外岩土的热交换作用，导致管内外温度的改变，这是传热现象;另一个是岩土孔隙中的水分由于温度变化导致水的密度、粘度等物理量的变化，由于受压力、重力的影响，岩土中水分发生迁移，这是多孔介质渗流现象。岩土中水的运动反过来又对传热产生影响。可以看出，仅仅考虑模型中的热传导作用是不够的，应该考虑传热与岩土中水分的迁移运动两个物理现象之间的相互作用。

因此，可以将岩土视为多孔介质，同时可将物理场分为传热场与多孔介质渗流场，它们各自的控制区域见图1、图2。如图所示，传热场覆盖了管道内外所有的区域，多孔介质渗流场仅覆盖管道外岩土占据的区域。

相关研究陈静平等通过建立深层U型地热井换热模型与地温恢复模型，计算了多种参数条件下的地热井出口水温、单位时间采热量和地温恢复等，得到以下结论：

（1）分析了流速对采热效果的影响，流速越慢，地热井出口水温越高，流速在0.75一 1.0m/s间，单位时间采热量存在最大值。

（2）分析了U型管的水平管道长度变化对单位时间采热量的影响，在地温梯度3℃/hm，管径0.1538m条件下，水平管道长度每增加1 km，出口水温升高3.3℃，单位时间采热量增大0.2176MW。

（3）管径越小，出口水温越高。管径为0.1538m，水平管1000m条件下，管内流速u小于等于0m/s时，单位时间采热量随管径增大而增大，管内流速u> 1.0m/s时，单位时间采热量随管径增大而减小。

（4）在地温梯度3℃ /hm，水平管1000m的条件下，改变地热井的管径、流速，找到能获得最大单位时间采热量的参数。计算结果表明，采热井获得最大单位时间采热量的最优参数为管径0.1538m，流速0.75m/s，最大单位时间采热量为0.8488MW，能满足1.7万mam居住面积的供暖需求。

（5）在最优采热参数下，变化地温梯度，研究地温梯度对采热效果的影响。计算结果表明，地温梯度每上升1 ℃，单位时间采热量增加0.515MW。地温梯度为10℃ /hm时，平均单位时间采热量达到4.45MW，能满足8.9万居住面积的供暖需求。

（6）建立了地温恢复模型，计算了停止采热后非供暖季(240天)内的地温恢复效果。计算结果表明，经过240天，在各个地温梯度下采热井壁面处岩土的温度恢复率较高，都在92%以上；恢复速度前20天很快，后逐渐变慢。

（7）按恢复温差可将换热划分为三个区间:恢复良好区域，在下行管上部(0~348m)和上行管上部（0~1240m），地层温度高于初始温度；恢复一般区域，在下行管中部（348~1775m）和上行管中部（1245~2590m），地层温度与初始温度之差在0~-10℃之间;恢复较差区域，在下行管中部(1775~4000m ) ，上行管中部(2590~4000m)和水平管道，地层温度与初始温度之差在-10~-20℃之间。2