一种基于深层开式单井循环取热供热系统的热负荷优化方法

本发明属于地热资源开采利用，具体涉及一种基于深层开式单井循环取热供热系统的热负荷优化方法。

背景技术：

1、深层开式单井系统(开式单井)是一种深层单井循环换热取热系统，钻井深度可以从几百米到几千米。相比于传统的闭式单井取热系统，深层开式单井系统的井筒内水与深层地下含水层连通。通过这种设计，井筒内循环水可直接与地下岩层进行热交换，增强了传热效果，取热功率与闭式单井系统相比大幅度提高，经现场试验与模型预测，一口2000米深，热储含水层70℃深层开式单井系统，取热功率可达1000kw以上，非常适合用于供热面积为3～5万平方米的居民建筑。因此，深层开式单井系统在我国北方居民建筑供热领域具有广阔的应用前景。

2、目前，中深层闭式单井取热系统已有较多的实际应用工程，2018年以来多个省市相继出台了相关技术规程或标准，但针对中深层开式单井取热系统尚无设计标准，以往的深层开式单井取热系统的研究都集中在如何强化深层开式单井系统的传热，提高取热功率的技术方面，如公开号为cn 219083426 u、cn106247646a的公开专利文献。

3、但值得指出的是，无论是开式还是闭式单井换热系统，都需要耦合地面建筑供热系统实现地下的热量提取，闭式单井系统的取热功率计算常设置恒定的入水温度和循环流量，而针对开式单井取热系统如何耦合地上供热建筑实现优化设计和运行尚无具体实施方法。深层开式单井取热技术有其特殊性，与深层闭式取热系统不同，其一：循环换热流体为地热流体，而地热流体一般具有腐蚀性，因此，需采用板式换热器的间接供热方式，实现与地面供热系统耦合；其二：地热水出水温度与闭式单井出水温度相比温度高，当地热资源条件较好情况下，深层开式单井的出水温度可以超过40℃，部分热量可以通过换热器直接进用户而不需要热泵，待温度降低后在利用热泵机组进一步降温。相比深层闭式单井换热系统，开式单井循环换热系统的出水温度稳定时间短，随运行时间衰减小。深层单井的取热功率与地热回水温度与循环流量有关，该技术通过地热水循环系统将地下热能传递至地面供热系统，提供可持续稳定的供热能源。同时，该技术还具备向用户直接供应热水的潜力。

4、为了进一步提高地热能的利用效率，本发明提出了一种简单有效的深层地热开式单井建筑供热的优化算法，结合深层地热单井取热规律，耦合地面供热系统，将地下开式单井取热系统与地面建筑供热系统统一考虑，充分利用高品位电能(热泵)与低品位地热能的各自特点，结合热力学第一定律，各热力设备的传热传质规律，优化设计地面热泵机组、换热设备，在满足热用户要求的基础上，提出最佳的经济优化设计方案和最佳运行策略。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于深层开式单井循环取热供热系统的热负荷优化方法，旨在利用地热开式单井循环取热技术为用户进行供热设计，通过绘制出热源侧与用户侧的系统流程图建立能量方程，利用python编程语言使用牛顿迭代法求解得到热力设备间各节点温度，通过改变不同的循环流量调节运行工况，以供热负荷为优化目标，得出最佳运行工况，在实现优化设备选型的基础上，进行经济性评价，采用平均能源成本法，分析并得出最佳运行匹配工况下的运行参数与经济指标。

2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于深层开式单井循环取热供热系统的热负荷优化方法，其特征在于：首先，建立稳定供热条件下各热力设备的热传递守恒方程式，包括：深层地热单井的取热、地面板式换热器、热泵机组、建筑末端风机盘管、建筑物，通过耦合能量传递方程，获得有关稳定传热量的超越方程，采用牛顿迭代法进行数学模型的迭代求解，准确地计算出地热开式单井取热与热泵机组耦合的系统的热负荷；其次，将地热开式单井系统与热泵机组耦合，作为用户侧的供热系统，通过这种耦合方式，实现热力设备的最佳选型匹配；然后，针对不同工况条件进行计算，通过考虑不同地热水循环流量、供热需求因素，计算出不同工况下系统的热负荷；最后，选择合适的经济指标对最优工况下的系统进行经济评估，考虑系统投资成本、运行成本经济因素，评估系统的经济性；

4、所述方法的步骤为：

5、s1、确定深层开式单井取热系统流程图，因地热开式单井出口温度一般较高，故采用大温差一次网式利用模式；

6、s2、建立稳态传热数学模型，给出各个设备的热传递方程，结合相关标准或数据，确定方程中的物性参数与系数；

7、s3、简化方程，获得系统稳定供热负荷的超越方程式，给出最终的迭代格式，采用牛顿迭代法进行迭代求解；

8、s4、python编程求解，输入给定的地热水出口温度、出口流量，模型参数等数值，设置迭代终止条件，输出各个热力设备间节点温度；

9、s5、改变地热水出口流量，重复s4过程，得出新的节点温度数值，得出热负荷最大的最佳运行工况，记录下此时的各节点温度，地热水流量与供热负荷；

10、s6、对最佳运行工况下的深层开式单井取热系统进行经济性分析，结合市场价格参数，进行经济指标的计算。

11、而且，所述s1的流程图具体描述为地热水从井中取出后经过板式换热器1进行换热，板式换热器1将降温后的地热水流经板式换热器2中再次进行换热，此时地热水在板式换热器2中进行流量分配，一部分经由换热器2，另一部分进入热泵机组进行温度提升，两个部分地热水进行温度混合后到达用户末端风机盘管，为建筑进行供热。

12、而且，所述s2的物性参数与系数包括但不限于地热水出口温度、地热水出口流量、热负荷指标、天津地区室外温度、风机盘管面积、板式传热性能参数、换热器逆流温压修正系数，板式换热器板片导热系数、板片间距、风机盘管特性、风机盘管风量、建筑物体积或面积热指标、建筑物供热体积或面积规模及室外环境温度。

13、而且，所述s2的热传递方程为：

14、1)根据深层开式单井取热系统的地热水出口温度以及出口流量，计算地热水从井中取出的热量：

15、q1＝cpgh(th-tc)    (1)

16、其中：gh为地热水循环流量，kg/s；

17、th为地热水出口温度，℃；

18、tc为回灌温度，℃；

19、2)地热水流经板式换热器1后温度降低，此时板式换热器1向地热水提供的热量：

20、

21、其中：ge为蒸发器侧水流量，kg/s；

22、teo为蒸发器出口温度，℃；

23、s1为与gh，ge以及换热器总传热系数有关的常数，表达式如下：

24、

25、其中：k1为换热器1的总传热系数，w/(m2·℃)；

26、a1为换热器1的有效传热面积，m2；

27、f1为换热器对数平均温差的修正系数；

28、3)板式换热器1中地热水温度降低之后经过板式换热器2，板式换热器2提供的热量：

29、

30、其中：tc1为板式换热器2入水温度，℃；

31、tb为用户侧回水温度，℃；

32、gc为冷凝器侧水流量，kg/s；

33、

34、其中：k2为换热器2的总传热系数，w/(m2·℃)；

35、a2为换热器2的有效传热面积，m2；

36、f2为换热器对数平均温差的修正系数；

37、4)板式换热器2中的地热水温度降低之后经过热泵机组的蒸发器，蒸发器侧提供的热量：

38、q4＝cpge(tei-teo)                    (6)

39、其中：tei为蒸发器入口温度，℃；

40、5)热泵通过输入少部分低品位能源，获得大部分热量，热泵机组提供的热量：

41、q5＝(12.271-0.329θ)·w                  (7)

42、其中：w为热泵输入功，w；

43、其中θ与蒸发器进出口温度与冷凝器进出口温度有关，表达式如下：

44、

45、其中：tco为冷凝器出口温度，℃；

46、6)地热水温度进一步提升后经过冷凝器，冷凝器侧的热量为：

47、q6＝cpgc(tco-tb)-w                  (9)

48、7)终端风机盘管向室内的供热量为：

49、q7＝gccpw(ts-tb)+n                  (10)

50、其中：cpw为水的定压比热容，4.18kj/(kg·℃)；

51、n为输入功率，kw；

52、ts为用户侧供水温度，℃；

53、8)室内向室外的散热量为：

54、q8＝cqv(tr-ta)                     (11)

55、其中：cq为体积热指标，w/(m3·℃)；

56、v为供热房间体积，m3；

57、tr为房间温度；

58、ta为室外环境温度，℃；

59、9)根据系统流程图中的能量流动过程，可以得出：q1＝q2＝q3+q4，q4+w＝q5＝q6和q3+q6＝q7＝q8；

60、10)利用牛顿迭代法计算各个节点温度，迭代格式如下：

61、

62、而且，所述s6经济指标的计算具体为：平均能源成本表示消耗一度电所需要支付的成本：

63、

64、其中：aec为平均能源成本，元/kw·h；

65、ci为初投资，元；

66、i为年利率，5％；

67、n为年数，年；

68、com为年运行和维修成本，元；

69、q为取热量，kw；

70、t为供热季时间，h；

71、初投资包括：钻井费用、管材成本、设备费用、施工、土建，计算公式如下：

72、ci＝pdh+pph+phpw+pphe(a1+a2)+cfc+cins+ct           (14)

73、其中：pd为钻井单价，元/m；

74、h为钻井深度，m；

75、pp为管材单价，元/m；

76、php为热泵机组单价，元/kw；

77、pphe为板式换热器单价，元/m2；

78、cfc为风机盘管价格，元；

79、cins为安装施工成本，元；

80、ct为土建成本，元；

81、年运行和维修成本包括维修费、电费、水费、折旧费、人工费，计算公式如下：

82、com＝εqt+cw+ηci+cz+cl (15)

83、其中：ε为电费单价，元/kw·h；

84、cw为水费，元；

85、η为维修系数，0.01；

86、cz为折旧费，元；

87、cl为人工费，元。

88、本发明的优点和有益效果为：

89、1、本发明首次提出了深层开式单井取热技术用于用户供热的运行方法与调节策略，并对其进行供热负荷优化，得出最佳运行工况；通过对供热负荷进行优化，可以更合理有效地满足居民的供热需求。同时，本发明对深层开式单井取热系统进行经济性评估，证明了该系统在理论上可行，并在工程实际中具有可操作性。这为地热开式单井取热技术的应用提供了有力支持。

90、2、本发明在现有地热开式单井系统的基础上，结合了板式换热器、热泵机组和末端风机盘管，为用户进行供热，通过优化运行方法，本发明能够求解各个节点的温度数值，并采用python编程语言进行计算，使计算过程更加清晰、简便。这种深层开式单井供热系统的优化设计方法能够有效地调节系统的运行工况，提高供热效果。同时，采用板式换热器、热泵机组和末端风机盘管的组合供热，能够充分利用地热能源，提高能源利用效率。这一创新为深层开式单井系统的发展提供了新的思路和方法。