蘭州某學校無干擾地巖熱供熱系統的工程應用分析

陳君萍

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

能源與環境問題成為當今各國面臨的重大社會問題之一。能源生產和消費革命的根本出路在于開拓清潔、高效的可再生能源。地熱能源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變。地熱能是在當前技術經濟和地質環境條件下，地殼內能夠科學合理地開發出來的巖石中的熱能量和地熱流體中的熱能量及其伴生的有用組分。

地熱能儲集量大且具有可再生性。據聯合國有關的新能源報告顯示：全球地熱能資源總量，相當于全球資源總消耗量的45萬倍。人類很早以前就開始利用地熱能，例如利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養殖及烘干谷物等。地熱資源按儲熱體屬性，可將地熱資源分為水熱資源（儲存在水中，以熱水的形式存在）和地巖熱資源（儲存在4000～10000m巖石中，以熱能的形式存在）。相對于太陽能和風能的不穩定性，地熱能不受季節和晝夜變化的影響，具有穩定、安全、運行成本低等優點。合理開發利用地熱能，對調整能源結構、治理霧霾、應對氣候變化等方面具有重要意義[1]。

1 無干擾地巖熱利用技術

早在20世紀70年代初，美國 Los Alamos國家實驗室原子物理學家們就形成了干熱巖地熱能的想法，提出利用地下5000m以下廣泛分布的無水熱能進行發電[2]。至今美國、澳大利亞、英國、德國、法國、日本、瑞士、瑞典等國家開展了干熱巖發電試驗和商業運作[3]。我國有關干熱巖的工作起步較晚，近年來的進展主要集中在鉆井、壓裂、微地震監測、數值模擬、資源量評價、碳儲存技術等方面[4]。無干擾地巖熱利用技術是中國工程院院士徐德龍領銜的技術團隊研發的重大科技成果，創造性地提出了中低溫地熱能利用“取熱不取水”的新技術。目前，無干擾地巖熱利用技術已在我省蘭州新區陸港物流園、蘭州西固區達川棚戶區改造工程及武山縣等地示范應用，效果良好。

無干熱巖供暖技術是通過鉆機向地下2000～4000m深度高溫巖層鉆孔，在孔中安裝一種密閉的金屬換熱器，通過換熱器傳導將地下深處的熱能導出，并通過專用設備系統向地面建筑物供熱的新技術。“取熱不取水”，實現無干擾潔凈供熱，完成對低品位地巖熱能的開發利用。該技術無污染，不受地面氣候等條件的影響，能夠有效保護地下水資源，實現地熱能的清潔、高效、持續利用。本工藝技術示意見圖1。

無干熱巖供暖技術具有如下特點：

（1）系統壽命長：地下換熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當（不小于60年）。

（2）安全可靠：孔徑小（200mm），深度在2000m以下，對建筑地基無任何影響；地下無運動部件；全系統溫度低于100℃，無化學反應，系統穩定、無安全隱患、可靠性高。

（3）操作簡便：系統自動化程度高，實現無人值守，維修簡單，可根據需要開停機。

（4）普遍適用性：每個建筑物下都有地熱能，熱源穩定，開發地熱能普遍適用，鉆孔位置的選定比較靈活，一般不受場地條件制約。

（5）投資與運行經濟性好：向地下中、深層取熱，單孔取熱量大，供熱面積廣，鉆孔數量少，開發成本經濟、運行成本低廉。

（6）高效節能：專用的吸熱導熱裝置與新材料的使用提高了地下換熱導熱效率；一個換熱孔可以提供500～700kW的熱負荷需求，無長距離輸送和損失能耗。

（7）綠色環保：無廢氣、廢液、廢渣等任何排放，能量來自地熱，治污降霾成效顯著。

圖1 無干擾地巖熱供熱示意圖

（8）保護水資源：系統與地下水隔離，僅通過換熱器管壁與高溫巖層換熱，不抽取地下熱水，也不使用地下水。

2 項目概況

2.1 建筑概況

本項目位于蘭州市榆中縣三角城岳家莊。項目總建筑面積為13847.7m2（不含規劃預留博物館等建筑約8000m2），其中綜合樓4872.3m2，宿舍樓4297.6m2，訓練館4647.4m2，傳達室30.4m2。總熱負荷設計為1400kW，其中現有建筑熱負荷為1089.2kW，供暖期共150天。

2.2 設計條件

本項目附近無城市集中供熱管網或區域鍋爐房，最初設計供暖熱源為校區新建燃氣鍋爐房直接供給，鍋爐房內設計2臺1t的燃氣鍋爐，但經建設方核實，校區附近較長一段時間無城鎮燃氣管網接入。此外，在技術經濟合理的情況下，冷、熱源宜利用淺層地熱能、太陽能、風能等可再生能源。但采用太陽能供熱，夜間儲熱等問題不好解決；采用水源熱泵，經勘測，地質條件不滿足，且回灌等需要場地較大，而項目場地比較緊張；采用空氣源熱泵，榆中縣冬季供暖室外計算溫度為：-9℃，室外溫度偏低，供熱越差、效率低，需要增設電附熱，后期運行費用高。

榆中縣地處蘭州市東部，熱儲蓋層為巨厚的第三系中上部泥巖、砂質泥巖，層位較穩定，地下泥土層較厚，地下以泥巖、礫巖、砂巖為主，進專業公司勘測，該區域內的平均地溫梯度在25℃/km左右，地熱資源較為豐富，具備使用無干擾地巖熱供熱的基礎條件。預計深度2500m左右可獲得65℃以上的地熱資源，為用戶端供回水溫度初步設置為45/40℃。

3 地巖熱系統配置

依據項目的建筑概況和設計條件，地巖熱系統配置如下。

3.1 地巖熱井配置

項目配置2口地巖熱換熱孔數量；2套地巖熱換熱器；地巖熱換熱孔有效深度暫定為2500m左右；地巖熱換熱孔的孔徑為200mm左右。根據熱負荷配置地巖熱主機1臺，供熱總熱負荷為1400kW。換熱機房利用原有鍋樓房。

3.2 系統運行

本系統運行控制系統分為全自動控制和現場手動控制兩種方式。在地巖熱供暖系統冬季工況下，主機通過深層換熱孔從地下巖層中獲取地熱，經機組提升后，制備45/40℃的供暖水輸送至建筑物末端，實現冬季供暖。地巖熱流程示意圖如圖2所示。

圖2 地巖熱運行系統圖

3.3 末端形式

本項目原設計供暖末端采用鋼柱暖氣片，而無干擾地巖熱系統供暖熱水供、回水溫度分別為45/40℃，鋼柱暖氣片散熱速度過慢，無法適應，適合更換為立式明裝風機盤管或低溫散熱器，以獲得較好的供暖效果。同時，需將室內供暖系統由原設計采用單管上供下回式供暖形式改為雙管下供下回式供暖形式。

經核算，共需要立式明裝風機盤管570臺，總用電功率最大為22.184kW。低溫散熱器共需要散熱器581臺，總用電功率最大為6.24kW。原設計采用鋼柱暖氣片供暖末端造價估算為150.37萬元；若改造為立式明裝風機盤管或低溫散熱器，供暖末端造價估算分別為154.55萬元和196.59萬元，分別比原設計方案增加了4.18萬元和46.22萬元。此外，立式明裝風機盤管內的風機采用單風機變頻控制，技術非常成熟，國內生產廠家眾多，價格較低；而低溫散熱器采用的是多風機逐級控制，與立式明裝風機盤管的差別不大，但目前國內生產廠家很少，且都為國外技術，價格較高，性價比較低。

綜上所述，立式明裝風機盤管或低溫散熱器都可適用于低溫熱源供暖，但立式明裝風機盤管性價比高，優勢明顯，本項目供暖末端散熱器采用立式明裝風機盤管。

4 總投資構成

估算編制范圍包括從工程籌建至運行驗收的全部建設項目總投資。具體內容包括：設備費用、工程費用、工程建設其它費用、基本預備費。根據有關專業提供的主要設備材料表，參照近期類似工程決算資料及相關設備價格進行計算，計算時設備運雜費已包含在設備價中；同時輔材采用建設項目工程所在地近期的市場價。

經初步計算，總投資構成和主要技術經濟指標分別如表1、2所示。

表1 總投資構成表 萬元

5 項目效益評價

根據系統全年常規能源代替量的計算結果，該系統在一個供暖季（5個月）內為常規能源替代量約為619.09t標準煤。減少CO2排放約1622.01t，減少SO2排放約5.26t，減少氮氧排放物約4.58t，減少粉塵排放約5.94t。符合國家的“治霾”方針，保護了地區的生態環境。

表2 主要技術經濟指標

6 結語

本文以工程實例探討了干擾地巖熱供熱系統在蘭州地區的應用，得到的主要結論：

（1）開發無干擾地巖熱供熱系統符合國家“十三五”發展規劃中提出的“綠色”發展理念，緩解了能源對國家發展的制約，同時對國家能源結構的調整具有重大的現實意義。

（2）項目的建成不僅節約了資源，而且有效的避免了傳統能源對環境的污染，符合社會可持續發展的需要。