中深層地熱能供暖應用實例

許西波

（恒大地產集團西安有限公司，陜西西安 710021）

0 引言

中深層地熱能是相對于淺層地熱能，指的是溫度高于25℃，集“熱、礦、水”為一體的自然資源。中深層地熱能是一種可再生清潔能源，優點是熱流密度大，流量、溫度等熱物性參數穩定。據初步估計，在地下1000~10000m 范圍內，我國地熱能儲存的熱量相當于51.6 萬億噸標準煤，是我國2016 年能源消耗總量的11835 倍。中深層地熱能的利用，現在主要來源于地下存儲的豐富充足高溫地下水。本文通過西安某項目中深層地熱能梯級利用供暖設計，研究中深層地熱能的使用方法，就如何實現高效利用、合理設計等問題展開分析。

1 中深層地熱能現狀及主要開發技術

伴隨著我國建筑行業的飛速發展，傳統燃煤能源供暖消費量持續增加，已超過全國能源年消費總量的10%以上。利用地熱系統采暖，全面替代礦物質燃料實現無燃燒供熱，提高能源利用率并改善環境，減少燃燒廢氣排放，應給予地熱能采暖予重點支持。

中深層地熱資源可采取中深層地熱回灌（水熱型）和無干擾地熱取熱“取熱不取水”的開發模式，無干擾取熱方法目前也列為干熱巖提熱的主要開采方式。國內干熱巖的開發目前主要集中在熱值高的區域，目前技術比較薄弱。采用中深層無干擾取熱方法是將地熱換熱盤管布置在井中，采用特殊的設備將熱量從地層中提取出來。此開采方式目前在西安市場初步應用，由于材料等研究較為昂貴，仍處于起步階段。中深層回灌（水熱型）在目前地熱開發中運用最廣，其技術采取的是鉆對井取熱循環，采熱量主要受到對接井地熱流體管流速度的影響，此方法在西咸區域也取得了很高的應用，部分井回灌率達到100%，對于綠色能源開發有廣泛的推廣價值，地熱開發的目標是在提取地下熱量的同時，保證生態環境以及地層水資源的平衡。

2 工程項目概況

西安某項目位于西安市雁塔浐灞，總建筑面積為356880.69m2，地上建筑面積為237966.03m2。項目分南北地塊，北地塊地上面積為55597m2；南地塊地上面積為182369.01m2。建筑類型主要為多層別墅與高層，建筑最高33 層。系統分為高低兩個區，1~15 層為低區，15 層以上為高區，采暖末端為低溫地板輻射采暖形式。

3 方案設計

3.1 設計原則

（1）采用取熱不取水技術，將地熱水回灌，保證了可持續開發，采用跨層混采，兩采兩灌，同層回灌。

（2）避免與鄰近已成地熱井不發生干擾。

3.2 基本數據

（1）井位位置：小區中心園林區域非地庫范圍。

（2）按照“一采一灌”模式設計生產井2 口，回灌井2 口。設計井深3150m，取水層段1650~3150m，取水層位為高陵群、白鹿塬組及紅河組熱儲。

3.3 地熱換熱站設計

本項目換熱機房采用板換+熱泵機組組合換熱，通過深井潛水泵從地熱井提取地熱水，經過地熱管線送至一級直供換熱器，通過一級換熱器進行熱交換，溫度降低后的地熱水送至二級換熱器進行二次換熱，給熱泵機組提供熱源。經過二級換熱器熱交換后的地熱水經由管線送至回灌井回灌；同時經一級換熱器換熱和熱泵機組制熱后提取熱量、溫度升高的供熱循環水，經管線送至熱用戶側利用，降溫后的熱水由管線輸送至一級換熱器和熱泵機組冷凝器側進行換熱，如此進行循環，見圖1。

圖1 地熱能采暖循環原理

本次主要依據與擬建地熱井位相鄰或取用熱儲相同之地熱水井井口水溫資料，反求出平均地溫梯度，作為衡量地溫場依據，地熱水井的平均值3.2℃/100m。依據以上計算成果，結合區域地熱地質資料，預測本小區地熱水井設計降深60m 時，出水量為60m3/h 左右。本方案只為項目住宅部分提供采暖熱源，末端系統供回水溫度50℃/40℃，計劃在小區內鉆鑿四口地熱井（兩采兩灌），預計水溫為80℃，水量60m3/h。

北區換熱站：由于北區換熱站僅140m2，換熱方式只能采取地熱水通過板式換熱為建筑提供熱源。北區建筑需求熱負荷為2223.88kW，地熱水通過板式換熱器水溫利用至42℃，需求地熱水量為50m3/h，一口地熱井尚富裕10m3/h 地熱水。

南區換熱站：南區建筑需求熱負荷為7413.3kW，換熱方式采取地熱水+熱泵為建筑提供熱源。北區剩余10m3/h 地熱水+另一口生產共計70m3/h 地熱水，地熱水通過板式換熱器水溫利用至42℃，可提取熱量：G 井=3093kW

兩口地熱井尾水120m3/h、42℃通過熱泵降溫至10℃，熱泵COP 按4.5，忽略設備間傳熱損失，大約能獲得熱量：

地熱水+熱泵可提供熱負荷7937kW，可滿足南區建筑采暖需求。

計劃敷設一次側管網（即地熱水管網）DN200 管線300m（雙管），DN125 管線800m（雙管）。地熱管網選擇優質石油管，外包聚氨酯發泡保溫施工，采用無補償直埋敷設方式與室內架空敷設方式施工。

4 地熱能供熱問題分析

4.1 地熱勘查程度低，鉆井風險大

除了在某些地區目前資源勘探相對成熟，在國內大部分地區勘探和開發資源不足，鉆井故障率高，開發和部署不合理科學，造成很大的損失。

4.2 初投資高，周期長

通常情況，開發某地塊的地熱能，需要先進行地熱資源勘查，勘查工作投入大、任務較重，對于企業員工經濟負擔較重。目前仍然在使用的石油和天然氣井鉆井技術的投資較高，導致初始投資高。由于各種供熱方式執行相同的市政供熱價格，而地熱供熱前期投資較之于集中供熱前期投資高，加之，中深層地熱能采暖工程項目全面建成后，全部入駐和滿負荷供暖系統需要經過一個較長時間，導致公司成本回收期變相延長，使供熱企業管理資金壓力進一步增加。

4.3 動態監測、可持續評價差

在部分地區地熱開發過程中，地熱井的流量、溫度、液位等發生變化，存在一定的下降趨勢，造成項目原有設計管理系統不能適應其變化，達不到最佳的設計使用效果。分析原因是地熱能開發初期缺少科學的地熱資源開發評價，工程開發過程中缺少動態監測。

5 地熱能供熱建議

5.1 加大地熱勘查力度

提高地熱勘查覆蓋，降低地熱開采風險，地熱資源勘查成本高，企業本身實力相對薄弱，建議國家或者地方政府對全國或區域地熱資源進行勘查摸底，建立數據資料庫，為后續地熱資源的開發利用提供科學依據。

5.2 提高技術創新水平

地熱能采暖初期投資大，加熱系統以及換熱設備技術較保守，缺乏一套完整的設備和材料。要加強技術改造以及研發，從地熱采暖兼容設備過程中的各個環節，建立相應標準，降低企業建設成本，提高地熱利用效率。

5.3 加強地熱開發動態監測與反饋

地熱資源的開發和利用是一個動態的過程，需要進行項目前期的初步資源評價，同時進行動態監控。因此我們應該及時了解糾正資源開發的合理性初步評價的動態變化，及時進行總結，提出了合理的建議，為指導后續發展。

6 結論

地熱能是一種綠色可再生的能源，與煤炭和天然氣等傳統能源相比，貯量巨大、具有環保可再生等優勢。通過本項目中深層地熱能供暖應用實例的采暖設計，直觀發現地熱的利用潛力以及采暖優勢，梯級利用能夠更加高效的利用地熱能，可以最大限度利用地熱水溫差能量。以“取熱不取水”的原則，將地熱回水進行回灌，達到可持續開發的效果。合理地開發和利用地熱資源，有助于緩解能源供需矛盾，提高節能減排效果，有助于建設資源節約型和環境友好型的和諧社會。