井下換熱器

井下換熱器是只流動著一種介質，即被加熱的比較清潔的冷水的換熱器。其加熱介質，即地熱水始終處於換熱器之外的地熱井內。

井下換熱器熱輸出功率的範圍較寬，從kW級到MW級均有工程套用實例，既能用於小規模家庭供暖，也能用於學校等中等規模公共建築的供暖。

基本介紹

• 中文名：井下換熱器
• 外文名：DHE
• 優點：輸出功率範圍大
• 發明時間：1930年
• 套用領域：地熱能源開發

發展狀況

1930年在美國俄勒岡州的 Klamath 郡，建成了第一個井下換熱器(DHE)系統。至今，該地已有約 600 套井下換熱器系統，內華達州也有近 200 個井下換熱器在運行。在紐西蘭、土爾其、匈牙利、冰島、俄羅斯等國，井下換熱器系統也發展得很快。在紐西蘭的 Rotorua 地熱田有約 140 個地熱開採井眼，其中安裝井下換熱器取熱的有42眼，深度為 80-100 m，不僅解決了當地政府大樓以及居民的冬季取暖，也帶動了當地的旅遊業發展。在Taupo
也有20多個井下換熱器系統，其中3 個用於當地一所中學的冬季採暖。日本和美國在上世紀90年代合作，開展了利用深層井下換熱器進行發電的研究。在土爾其，地熱井約有 400多眼，其中第一個用於地熱採暖的井下換熱器系統安裝於1987年，目前約有25000 戶家庭採用地熱供暖，預計到 2020 年這一數字將超過50萬。

在我國，自上個世紀地下水地源熱泵系統套用於國內空調工程領域以來，目前已成為華北和中原地區空調系統套用的熱點。就全國範圍而言，在套用地源或水源熱泵系統的建築中，地下水地源熱泵約占全部的 45%，是比例最高的一種系統形式。

但是，通常所說的地下水地源熱泵是指開式(抽灌式)地下水熱泵系統。就目前國內的套用來說，井下換熱器系統仍是較新的一種淺層地熱利用方式，至今我國只有一個真正運行的地熱井下換熱器系統(2009 年將建成於河北懷來，當年年底投入供暖運行)。

開式地下水熱泵系統無法迴避的一個問題是地下水的回灌，而能否做到有效回灌則取決於地下地質結構。與廣泛採用的開式地熱水供暖方式相比，井下換熱器系統屬閉式地下水熱泵系統。其主要特點是不從井中抽取地下水，因而從根本上避免了由於地下水的過量開採造成的水位下降、地面下沉、熱儲壽命縮短、棄水熱污染和化學污染等一系列問題，比較適合於中小型住宅，也是解決一些北方農村供暖問題很有發展前景的方法。

結構原理

井下換熱器系統如圖所示。系統的地上部分與其它水源熱泵系統沒有本質區別，均由熱泵機組和室內末端組成。熱泵機組的冷凝器和蒸發器分別與用戶端散熱器和井下換熱器相連。在供暖模式下，冷凝器向用戶端提供熱水，而 U型井下換熱器中的水經蒸發器冷卻後流回地熱井，再次從地下水中取熱。

井下換熱器通過兩種途逕取熱：(1)與流過含水層的地下熱水進行換熱；(2)與井壁圍岩進行換熱。井壁以內屬於純流體區域，熱交換主要以自然對流方式進行，類似於管殼式換熱器。在地熱井壁面上不斷有被 U 型管冷卻的地下水流出井外，而外部含水層中的熱水通過壁面流入井內，形成連續的質交換，補充井內散失掉的熱量，保持熱輸出的穩定性。井壁以外的地熱水層屬於多孔介質區域，熱交換同時以自然對流和導熱兩種方式進行。

套用條件

具備溫度適宜的含水層結構，是套用地下水地源熱泵系統的必要條件。地熱井的深度與含水層的埋深有關，通常不超過150 m，井底水溫度可達 90℃以上。在鬆散地層裝設井下換熱器時，地熱井鑽成後需在井內加裝護壁套管。在冷水層或疏鬆地層下方，套管外還裝有封隔器，通常在 6-15 m 深處。用封隔器將地表冷水及地表附近的溫度波動層與地熱井隔開，並將套管外自封隔器至地表處的環帶用水泥填實。

一般情況下，U 型管內的傳熱介質是水。在地熱井熱輸出功率較高，且二次水溫度能夠達到當地供暖所需溫度的情況下，可以不採用熱泵系統。反之，如果井內溫度較低，甚至是涼水井時，需要採用熱泵將供水溫度提升到所需水平。這種情況下，U 型管內也可採用製冷劑作為循環取熱介質。

材質選擇

早期建成的井下換熱器工程中，為了獲得好的換熱性能，井下換熱器多採用鐵管。由於井口封閉不嚴密，鐵質換熱管出現了腐蝕問題，安裝套管後，鐵管與套管之間存在相對的陰－陽電極關係，在受到附近建築或城市供水管道的雜散電流的影響時，腐蝕加劇。後來工程中採用塑膠管來替代鐵管，以避免由於更換管道造成的經濟損失。較常用的有玻璃纖維增強型環氧樹脂管、聚丁烯管或隔氧交聯聚乙烯管，如圖所示。

雖然非金屬管的導熱係數比金屬管要低得多，但總傳熱係數還取決於管道內、外表面的對流換熱係數，由於非金屬管道表面光滑，不發生腐蝕和水垢粘結，總的傳熱效果仍比較理想。在我國河北省懷來縣建成的井下換熱器供暖系統中，首次採用了銅質換熱器。