碳中和下低溫地熱水資源利用技術研究

羅娜寧，申小龍，趙 真，任小慶，劉 林，王 偉

(1.陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021； 3.中石化綠源地熱能開發有限公司，河北 雄縣 071800)

冬季清潔取暖關系廣大人民群眾生活，是重大民心工程、民生工程。清潔取暖技術百花齊放，以節能技術發展帶動能源結構改革的第4次能源革命已到來[1]。數據顯示，北方地區清潔取暖取得了顯著進展，改善了城鄉居民居住環境和用能條件：至2019年底，北方地區清潔取暖面積為116億m2，清潔取暖率達55%，比2016年增加51億m2[2]?！丁笆濉惫澞軠p排綜合工作方案》明確要強化既有居住建筑節能改造，實施改造面積5億m2。住建部聯合發改委、財政部下發《關于做好2019年老舊小區改造工作的通知》指出，自2019年起將老舊小區改造納入城鎮保障性安居工程。經初步摸查，全國需改造的城鎮老舊小區達17萬個，預計投資4萬億元。針對既有建筑的節能改造，潛力巨大。北方地區既有建筑因年代較早，未考慮節能問題，存在單位面積采暖能耗高、熱舒適度差等問題[3]。此外，原“燃煤鍋爐+老式暖氣片”的“小流量、大溫差”的系統形式，與清潔能源改造中應用的熱泵技術“小流量、大溫差”的形式差異是一直困擾老舊小區推行“煤改清潔能源”進度的難題。

我國地熱資源豐富，應用潛力巨大，是一種極具競爭力的可再生能源[4-5]，以資源量大、利用效率高、成本低廉和CO2近零排放為特征。因此，大力發展地熱能，改善能源結構，是完成碳達峰與碳中和指標的必然要求。只要地熱尾水回灌處理技術得當，從節能和經濟角度來看，水熱型地熱能供熱技術聯合熱泵技術是現階段清潔能源供暖系統最優的解決方案之一[6]。而常規的熱泵系統供/回水溫度多為45 ℃/35 ℃，溫差為7～10 ℃，但既有建筑采用的常規燃煤鍋爐系統供暖供/回水溫度為85 ℃/60 ℃，溫差可達20～25 ℃。如何優化設計低溫水熱型地熱聯合熱泵供暖系統，滿足既有建筑供水溫度高且供回水溫差大的采暖訴求是關鍵。

本文以某縣城老城區原有燃煤鍋爐供暖的既有建筑群供暖系統改造為例，以保障老城區居民溫暖過冬、減少大氣污染為立足點，介紹選用區域內低溫水熱型地熱資源作為清潔能源供暖系統熱源方案的設計過程。系統根據當地自然資源和氣候條件，以55～65 ℃的“低溫供熱”但持續恒溫的供給方式滿足既有建筑的采暖需求，為其他同類項目的設計提供參考。

1 項目概況

1.1 供熱現狀

寶雞某縣城老城區燃煤鍋爐供暖覆蓋老城區60多個住宅小區和20多個企事業單位等既有建筑區域，采暖面積為100萬m2。既有建筑群為1983年以來建設的老舊居住、辦公等建筑及現階段在建節能建筑，末端為既有建筑的老舊暖氣片和新建建筑的新式散熱器及地暖混雜形式。采暖供回水管網末端設置了混水裝置及二次換熱系統。縣城原有的燃煤供熱站設計安裝4臺25 t燃煤鍋爐，至2018年供暖面積約50萬m2，開啟2臺燃煤鍋爐，設計供/回水溫度為85 ℃/60 ℃。原供熱管道主管徑700 mm，總長度21 km。經實地考察，老城區重新鋪設管道難度較大，且原有的供熱管道運行良好，近期老城區應充分利用原有的熱力管網。

分布式能源系統的能效水平是由當地可再生能源的資源條件和熱需求結構特征決定的[7]，查明資源的賦存情況非常關鍵。

1.2 低溫水熱型地熱資源

根據該區域水文地質條件，結合地質勘探成果表明，區域熱儲類型為上部孔隙和下部裂隙、斷裂復合型熱儲，區域地熱資源豐富。地熱井主要布設在BF1和BF2斷裂上盤，熱儲層主要為中元古界官道口群(Pt2g)和新近系藍田—灞河組(N2l+b)混合熱儲。井口水溫及涌水量見表1、表2。

表1 縣城主城區已成生產井基本參數統計Tab.1 Statistics on the basic parameters of the production wells in the main urban area of the county

表2 縣城主城區已成生產井抽(放)水試驗Tab.2 Main urban area of the county has become a production well for pumping (draining) water

根據已成地熱井資料分析，井口地熱水溫度 46.5～51.0 ℃，流量 120～210 m3/h，屬于低溫地熱資源[8]。考慮生產井運行衰減的生產特性，擬定本系統單井設計降深50 m，井口水溫45 ℃，出水流量為130 m3/h。

1.3 既有建筑用熱需求

民用建筑的采暖設計熱負荷，包含圍護結構的基本傳熱耗熱量、地面的溫差傳熱耗熱量、加熱通過門、窗縫隙滲入室內的冷風耗熱量、加熱外門開啟時進入室內的冷風耗熱量以及各項附加耗熱量[9]。因此，室外氣候條件、建筑保溫程度、建筑的窗墻面積比、門窗密封程度等圍護結構的熱工特性以及建筑造型等諸多因素決定了采暖設計熱負荷[3，10-13]。根據《民用建筑熱工設計規范》，將我國劃分為5個熱工設計氣候分區，該縣屬于寒冷地區，既有建筑群建設年代不一，建設時推行的建筑節能標準較低，圍護結構采用的節能措施有限。且老城區既有建筑群每棟建筑物詳細結構資料大多缺失，很難詳細計算既有建筑群的總供暖熱耗。

供熱項目方案設計階段，通常采用采暖綜合熱指標簡易計算能源站供熱負荷，其選用標準直接影響到熱源大小的確定及熱力管網設計的經濟性。根據地區差異、城鎮住宅、辦公、學校、工廠等建筑類別和使用性質的不同以及建筑物圍護結構特點，參照《城鎮供熱管網設計規范》(CJJ 34—2010)中所推薦的各類建筑的耗熱指標，既有建筑群熱負荷計算公式為：

(1)

式中，Qr為項目區域內既有建筑群采暖總負荷；qi為i類型建筑單位面積采暖熱指標；Fi為區域內i類建筑的總面積；n為區域內建筑類型的總數。

結合北方地區城鎮建筑冬季采暖需求的熱量為60～140 kWh/(m2·a)或0.22～0.51 GJ[13]。此次清潔能源改造項目縣城主城區既有建筑群采暖面積為100萬m2，設計供熱負荷為42 360 kW。

1.4 改造系統設計

1.4.1 熱源配置

老舊小區建筑密度大，供熱需求多，但建設用地局限且大都處在寸土寸金的地段，布設地熱井障礙較大。擬定以中深層水熱型地熱為基礎熱源，地熱井的布設與地下資源勘查密切結合，并考慮能源站、地熱水管線的位置。該項目經鉆探工程布置，設計4口抽采水地熱井，并相應配置4口回灌井用于地熱尾水回灌，以達到持續利用目的。地熱井鉆探深度為1 000～1 500 m，出水溫度45 ℃，單井出水量130 m3/h，尾水回灌溫度為10 ℃。

單井供熱能力：

(2)

式中，Qj為單井供熱能力；G為地熱水流量；Cp為水的比熱，4.18 kJ/(kg·℃)；Δt為地熱供回水溫差；ρ為水的密度，1 000 kg/m3。

計算得單井供熱能力Qj=5 283 kW。

1.4.2 設計方案

地熱源水采用4眼開采井及4眼回灌井，其熱源側供/回水溫度為45 ℃/10 ℃。因既有建筑群末端為既有建筑的老舊暖氣片和新建建筑的新式散熱器及地暖混雜形式。因此，供暖供/回水溫度首先應滿足老舊暖氣片的采暖需求。設計兩級螺桿式熱泵機組串聯系統供/回水溫度65 ℃/45 ℃及單級離心式熱泵機組并聯系統供/回水溫度55 ℃/40 ℃供暖的系統思路，2套供暖系統均可滿足既有建筑老舊散熱器和新建建筑的雙重采暖需求。系統循環水以直供形式進入各既有建筑散熱器采暖末端，新建建筑小區設置二級熱交換站，循環水換熱至45 ℃/35 ℃后供新建的地板輻射用戶使用。

(1)方案1：單級離心式熱泵機組并聯系統(圖1)。并聯系統設置的4套換熱器熱源側同串聯系統，板換二次側與熱泵蒸發器側板供/回水溫度為23 ℃/8 ℃。4套換熱器可分別對應4臺離心式熱泵機組(蒸發器側23 ℃/8 ℃，冷凝器側55 ℃/40 ℃)。單眼地熱井+單級離心式熱泵并聯系統提供熱能為6 734 kW，離心熱泵機組COP為4.67。因熱源系統限制，蒸發器側出水溫度為8 ℃，同時系統設計的供水溫度高，循環供/回水溫差大，削弱了常規離心式熱泵機組能效大的優勢。

圖1 單級離心式熱泵機組并聯系統示意Fig.1 Schematic diagram of parallel system of single-stage centrifugal heat pump units

單級熱泵機組串聯系統采用抽采地熱水換熱+高溫離心式熱泵機組并聯+低氮冷凝鍋爐調峰補熱方式。其中，地熱系統提供熱量為26.93 MW，15.43 MW熱能缺口則采用4臺4.2 MW低氮冷凝燃氣鍋爐補熱及調峰。

(2)方案2：兩級螺桿式熱泵機組串聯系統(圖2)。系統設置了4套換熱器，板換二次側與熱泵蒸發器側板供/回水溫度為40 ℃/9 ℃。4套換熱器可分別對應4臺中溫水源熱泵機組(蒸發器側22 ℃/9 ℃，冷凝器側53.3 ℃/45 ℃)和4臺高溫水源熱泵機組(蒸發器側40 ℃/22 ℃，冷凝器側65 ℃/53.3 ℃)。單眼地熱井+二級螺桿式熱泵串聯系統提供熱能為6 660 kW。其中，單臺高溫熱泵機組制熱量為3 870 kW，機組COP為4.83。中溫熱泵機組制熱量為2 790 kW，機組COP為4.88。

圖2 兩級螺桿式熱泵機組串聯系統示意Fig.2 Two-stage screw heat pump unit series system schematic diagram

兩級熱泵機組串聯系統采用抽采地熱水換熱+中溫、高溫螺桿式熱泵機組串聯+低氮冷凝鍋爐調峰補熱方式。其中地熱系統提供熱量為26.64 MW，15.72 MW熱能缺口則采用4臺4.2 MW低氮冷凝燃氣鍋爐補熱及調峰。

2 設計優選

本文主要對單級離心式熱泵機組并聯系統和兩級螺桿式熱泵機組串聯系統進行能耗分析和增量投資收益計算，以能效評價和增量投資收益率判別系統優劣。

2.1 地熱系統能效評價

能耗分析只針對熱泵系統及循環泵系統，包括熱泵主機、熱泵循環水泵以及系統循環泵(表3)，不包括鍋爐系統，因為2套系統鍋爐設備相同，不作論述。

表3 系統能耗分析對比Tab.3 System energy consumption analysis and comparison

根據表3數據，以現有熱源工況特性及其產品參數，地熱供熱系統能效評價E可表示為：

(3)

式中，Q1為地熱能直接利用供暖部分換熱量，該項目地熱原水溫度過低，此處為0；Q2為地熱能間接利用供暖部分換熱量，串聯系統為中溫機組和高溫機組制熱量之和；P為系統電力裝機容量，方案設計中為便于分析，僅考慮熱泵機組及系統主循環泵和熱泵循環泵的輸入功率。

2.2 地熱系統經濟評價

2套地熱熱泵系統規模相同，且在技術上均可行，系統方案的確定還應該考慮經濟因素。因循環系統采用原燃煤系統的二次管網，熱源和自控系統均一致，此處僅對系統中配置的抽采回灌地熱井和主要設備的初投資及運行費用進行計算比較(表4)。其中，為減少數據誤差，設備運行以采暖季滿負荷理論值計算，電價為0.498 3元/kWh，天然氣價為2.3元/m3。

表4 地熱系統熱源方案經濟比較Tab.4 Economic comparison of heat source schemes for geothermal system

行業基準投資收益率ic設定為8%，當R2-1≥Rc，則投資大的方案優，當R2-1

(4)

式中，R2-1為方案1和方案2的增量投資收益率；C1、C2分別為方案1和方案2的運行成本；I1、I2分別為方案1和方案2的投資成本。

3 結果與討論

3.1 技術經濟對比

根據表3及式(3)，該項目單級離心式熱泵機組并聯系統能效E1為4.22，兩級螺桿式熱泵機組串聯系統能效E2為4.56，“大溫差，小流量”的串聯式系統的運行能效比“小流量，大溫差”的并聯式系統的運行能效高8.1%。根據表4及式(4)，單級離心式熱泵機組并聯系統方案和兩級螺桿式熱泵機組串聯系統方案的增量投資收益率R2-1為22.6%，大于行業基準投資收益率8%，投資大的方案2具有良好的經濟性。根據技術經濟指標對比分析，系統采用能效比高、經濟效益更好的兩級螺桿式熱泵機組串聯系統形式。

3.2 冷凝燃氣鍋爐整合必要性分析

熱量需求與固定電力或燃氣量需求的比值越大，系統達到的綜合能效值越大，這是因為在當前的技術條件下，利用電力、燃氣等“高品位”資源制取“低品位”的熱量能效較高[7]。燃氣鍋爐供暖從建設費用、熱源利用效率、技術成熟度、運行及維護費用等供暖技術經濟因素具有較好的綜合評價[10]。整個采暖期充分利用地熱資源，系統的采暖設計熱負荷分為2部分，一部分為基本熱負荷，由投資成本高但運行費用低的地熱承擔，另一部分為調峰熱負荷[14]，由投資成本低但運行費用高昂且運行時間短的穩定性更好的熱源設備承擔。一般民用住宅入住率均較低，在初寒期及末寒期，供暖系統均是在低負荷狀態下運行的。嚴寒期室外氣溫較低時，系統需熱負荷大，但持續時間較短。

隨著環保標準逐年提高，新的《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)實施后，還將繼續推進燃氣鍋爐氮氧化物排放的治理工作。因此，清潔能源改造方案在環保和節能方面要有一定前瞻性。選用的高效冷凝模塊鍋爐熱效率高達107%，實際熱效率90%以上，排煙溫度低于60 ℃，NOx小于30 mg/m3，滿足國家最嚴環保排放要求。單臺鍋爐采用700 kW/1 050 kW四個模塊精確配置組成，4個模塊可互為備用。中央控制器根據供熱需求適時調配各模塊運行狀態，最終保障采暖用戶需求與鍋爐運行曲線接近。

3.3 熱泵系統細節優化

2組設計方案中，均從節能運行角度考慮設置了熱泵旁通管來滿足系統低負荷運行的需要，可通過切換V1、V2、V3及V4四組電動閥門改變系統運行模式。初次加熱時開啟電動閥門，僅以低成本的地熱水換熱以加熱供暖循環系統，用戶側回水溫度接近40 ℃時關閉。供暖正式運行時關閉旁通管上的V3及V4閥門，根據末端采暖需求再逐臺啟動中溫、高溫熱泵機組調節循環系統供回水。

4 結論與建議

水熱型地熱能既是低碳環保的非化石能源，又是技術與經濟可行性高的清潔能源。陜西省地熱資源儲量可觀，尤其是該區域低溫地熱資源屬于水量充沛的斷層控水，是穩定可靠的本土能源。應將地熱能作為基礎能源，根據資源稟賦及用能需求合理規劃能源配比，制定清潔高效的能源系統方案。

(1)既有建筑群末端復雜，冬季采暖熱負荷大，系統根據當地自然資源和氣候條件，采用低溫水熱型地熱資源聯合熱泵技術作為清潔能源供暖系統，以55～65 ℃的“低溫供熱”但持續恒溫的供給方式滿足既有建筑的采暖需求。

(2)項目節能與系統的設計和運行管理細節有關，根據現有熱源工況特性及產品參數，在額定工況下，對“大流量，小溫差”的單級離心式熱泵機組并聯系統及“小流量，大溫差”的兩級螺桿式熱泵機組串聯系統進行能耗對比，并聯式系統能效E1為4.22，串聯式系統能效E2為4.56，串聯式系統比并聯式系統的能效高8.1%。如何進一步挖掘系統運行節能潛力，做好供熱系統運行工作，減少能源消耗，是值得繼續深入探討的問題。

(3)采用增量投資收益率評價系統的經濟性，方案1和方案2的增量投資收益率為22.6%，大于行業基準投資收益率8%，投資大的兩級螺桿式熱泵機組串聯系統具有更好的經濟性。

(4)低溫水熱型地熱資源在既有建筑供暖應用中，應將科研與工程實際相結合，繼續創新地熱能開發利用模式，建設地熱能高效開發利用示范區，進一步推進我國北方地區既有建筑節能改造供暖模式的轉變。