地熱對接井與地熱深度利用技術的耦合探討

韓 云，孫春輝，翟曉瑩，岳黨教，趙 楊

（西安陜鼓動力股份有限公司，陜西 西安 710075）

隨著各地區(qū)環(huán)保節(jié)能的壓力越來越大，陸續(xù)出現(xiàn)了多種供熱技術，而中深層地熱技術無疑是眾多技術當中發(fā)展最快、節(jié)能最有效的技術。特別是中國煤炭地質總局水文地質局發(fā)出“取熱不取水”技術成果以后，徹底解決了多年以來由于開采地下水難以回灌帶來的水位下降的頑疾，又為此項技術提供了新的發(fā)展動力和方向。為了解決每口地熱井取熱量偏低的問題，近年來又出現(xiàn)了U型地熱對接井技術。而為了解決每口地熱井流量受限問題，結合現(xiàn)有熱泵技術的改進和改造，中深層地熱深度利用技術也得到了廣泛的普及。

1 U型地熱對接井技術

近些年來，陜西部分專業(yè)地熱公司在地熱開發(fā)中做出了不可磨滅的貢獻，也取得了很大的經(jīng)濟和節(jié)能減排效益，但是換熱直井由于經(jīng)濟和技術所限，目前也存在套管的尺寸不能太大、換熱管管徑受限、熱交換的水量較小等問題。陜煤地質集團公司改變了直井取熱的方式，將直井與水平工程井進行對接，形成U型地熱對接井（見圖1）。這項技術不但大幅度增加了地下?lián)Q熱器的換熱面積，還顯著減少了打井數(shù)量，其社會效益尤為顯著。

圖1 U型對接井結構示意圖

與傳統(tǒng)直井（套管式）相比，U型對接井主要有如下特點：

（1）通過在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器（地下?lián)Q熱器采用耐高壓、耐腐蝕、耐高溫的特種鋼材制造），并在內(nèi)充滿換熱介質，能夠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(tǒng)向地面建筑物供熱。

（2）U型對接井包括直井段、對接井及水平段，水平段增大了地下?lián)Q熱面積，從而保證建筑的熱需求。井口大小同套筒型地熱井，井的口徑約為200mm。

（3）由于存在轉彎半徑的問題，兩井距離1km較佳，最小距離為200m，這為該技術在大面積、大項目的使用上提供了極大的可能性。從200m到數(shù)公里長的地下?lián)Q熱器下，能夠有效保證換熱效果，同時降低熱衰減的發(fā)生可能性。

（4）該技術具有熱源溫度更高（地下2000m以下干熱巖巖體熱源可達80℃）且恒定，單個換熱井具備換熱面積大、運行成本低、節(jié)能環(huán)保性強等特點，可大規(guī)模用于商業(yè)建筑、民用住宅、政府學校等建筑，也可用于園區(qū)和區(qū)域供熱規(guī)劃。

（5）U型對接井的造價為兩口套筒型井的造價之和略多一些，但綜合性價比較高。

2 中深層地熱深度利用技術

中深層地熱供暖技術是指鉆機向地下一定深處高溫熱儲層鉆孔，在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器（地下?lián)Q熱器采用耐高壓、耐腐蝕、耐高溫的特種鋼材制造），在內(nèi)充滿換熱介質，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(tǒng)向地面建筑物供熱的新技術。

但是，由于受到地熱井的管徑和地下?lián)Q熱器面積限制，地熱井在流量和溫降上同樣受到了很大的限制。目前比較多的廠家采用的直井流量約為120m3/h，而單臺熱泵機組本身蒸發(fā)器不可能做得巨大，一般單臺非定制熱泵源側的水溫差做到10℃是比較理想的狀態(tài)，但帶來的問題是單位流量的熱源側熱量沒有得到充分的利用。鑒于該現(xiàn)狀，中深層地熱的深度利用技術應運而生。地熱深度利用技術是將地熱水熱量采取小溫差多次提取，最大程度上獲取地熱能量，最終以較低的溫度進入井側換熱。對于取水型地熱的利用，國內(nèi)已采用低溫回灌的地熱水梯級利用技術，該技術在實際項目中也得到了普遍應用。但為了區(qū)別，此次將地下?lián)Q熱器地熱利用因采用低溫回水的方式叫作“地熱深度利用技術”。目前大多數(shù)工程對地熱的利用仍然采取低溫差形式，造成了很大的資源浪費。

地熱深度利用技術是用多級熱泵機組多次利用地熱，一般設一級為離心高溫熱泵機組，二級為螺桿熱泵機組。該技術系統(tǒng)可深度利用地熱能，地熱水供回水溫度為5～45℃，供回水溫差至少40℃，可將地熱帶上來的熱量用盡。一方面，大溫差可降低地熱側水流量需求，也可大幅度降低地熱側的輸配能耗；另一方面，大溫差可提高地下?lián)Q熱器的換熱效率，一舉兩得。另外，一級供熱熱泵可采用高溫型，供老舊小區(qū)采暖系統(tǒng)，其他可供空調(diào)采暖和地輻等低溫用熱系統(tǒng)。

3 U型地熱對接井技術和地熱深度利用技術的耦合

3.1 U型對接井的實用性

U型對接井主要的技術革新點在于大幅度增加了地下?lián)Q熱器的面積，但與此同時，U型井兩井間的距離少則200m，多則幾千米，同時也導致?lián)Q熱器的阻力成倍增加。目前，對接井技術還處于推廣階段，仍未進入“量產(chǎn)”階段，因此其造價相對高昂，井數(shù)過多也非一般業(yè)主所能承受，其實用性不佳。U型對接井要在技術和管理上更上一個臺階，降低成本，才能夠真正意義上提高其實用性，才能“接地氣”。

3.2 多級熱泵機組的實用性

由于取水回灌型地熱系統(tǒng)的梯級利用技術已比較成熟和普及，雖然“取熱不取水”套管型地熱利用在熱源水品質上相對較低，但對熱泵來說卻有很大的適應性。高溫水進入蒸發(fā)器引起壓縮系統(tǒng)超壓報警的概率會顯著降低，在地熱水的深度利用方面有更高的實用性。多級熱泵機組對中深層地熱的深度利用上還需要有更好的控制邏輯，以提高各類熱泵機組在不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的適應性。

3.3 U型對接井+多級熱泵地熱深度利用的實用性

中深層地熱深度利用的條件在于有源源不斷的源側熱能提供給熱泵機組，而U型對接井的“超級”地下?lián)Q熱器就為地熱能的深度利用提供了天然可靠、無縫耦合的條件。

中深層地熱深度利用技術在系統(tǒng)控制上較為復雜，集成后的流程系統(tǒng)見圖2。需要注意的是，雖然U型對接井可以顯著減少用戶打井數(shù)量，但因為井道半徑和長距離換熱通道的需要，該方案比較適用于區(qū)域供熱、園區(qū)以及大型小區(qū)等大項目供熱，其規(guī)模對其普及性有一定的影響，但就技術本身而言，可以為用戶提供可靠的供熱技術保障。

4 結束語

圖2 U型對接井與地熱深度利用技術耦合流程圖

在套管型中深層地熱深度利用的成熟基礎之上，文章建議采用更為可靠的U型對接井+多級熱泵地熱深度利用的復合技術，這樣可有效避免熱平衡問題，也可以顯著降低中深層地熱系統(tǒng)供熱的運行成本，這也是未來供熱的一個重中之重的發(fā)展方向。