中深層地巖熱技術在寧夏地區的應用展望

楊海鴻 管東海 王翠萍 陳彥蘇 楊明秀

（1.甘肅省建材科研設計院有限責任公司,甘肅 蘭州 730020；2.寧夏蔚來新材料研究院有限公司,寧夏 銀川 750004；3.寧夏建筑科技與產業化發展中心,寧夏 銀川 750004.）

1 中深層地巖熱供熱技術

1.1 地熱能開發利用技術及現狀

地熱能是一種存在于地球內部巖土體、流體和巖漿體中的可再生能源。由于地球表面受太陽輻射和地球內部有放射性元素的衰變，地球內部不斷產生熱能，所以地球內部溫度很高，而且深度越深溫度越高，平均深度每增加100 m地層溫度升高3.0 ℃左右。地熱能具有儲量豐富、分布廣泛、穩定可靠、清潔低碳等獨特的優越性，已成為國內外能源轉型的重要發展方向之一。

地熱能開發利用的主要形式包括淺層地熱能、水熱型地熱能、巖熱型地熱能等，地熱能開發利用的主要技術形式及特點如圖1所示。

圖1 地熱能開發利用技術及特點

中國地質科學院資料顯示，我國地熱能資源極其豐富且分布廣泛，約占全球地熱資源總量的1/6，中低溫地熱田（25～150 ℃）遍布全國。水熱型地熱資源量折合1.25萬億t標準煤，年可開采量折合19億t標準煤；地下3 000～10 000 m的深層干熱巖地熱能相當于856萬億t標準煤[1]，按國際通行的2%可開采資源量計算，相當于我國目前年能源消耗總量的3 400多倍。

目前我國地熱能主要利用形式為水熱型及淺層地熱能，地熱能直接利用規模現居世界首位。我國336個地級以上城市規劃區范圍內，淺層地熱能年可開采資源量折合標準煤7億t，中深層地熱能年可開采資源量折合標準煤19億t[2]。

1.2 中深層地巖熱供熱技術原理

中深層地巖熱供熱技術近年來發展迅速，已成為地熱能開發利用的主要方式之一。

中深層地巖熱供熱技術利用地層中普遍存在的地溫梯度，通過鉆機向地下深度2 000～3 000 m、溫度70～90 ℃的中高溫巖土層鉆孔，孔徑約200 mm，在鉆孔中安裝密閉的高性能金屬換熱器，利用換熱器將地下深處的熱能導出，再通過地上地巖熱主機系統向建筑物或其他熱用戶持續穩定供熱。其與冷卻水塔等冷源端結合后，還可實現夏季空調制冷。中深層地巖熱供熱技術原理示意圖如圖2所示。

圖2 中深層地巖熱供熱技術原理示意圖

1.3 中深層地巖熱供熱技術特點

中深層地巖熱供暖技術具有井下封閉換熱、取熱不取水、對自然環境無干擾的特點，是綠色低碳的清潔供暖方式，也是實現碳達峰、碳中和目標的重要途徑之一。與其他幾種主要的可再生能源相比，中深層地巖熱既不存在太陽能、風能等容易受天氣變化影響，不穩定、不連續，需要增加儲能、調峰等環節的問題，又能克服淺層土壤源熱泵熱總量小、熱補償不易平衡，長期使用易出現“熱衰減”，造成效率下降、后期運行費用逐漸增加的問題，還可以徹底避免水熱型技術取用地下水、100%同層回灌困難、地下水資源受到嚴格保護的問題。其具有以下顯著特點。

（1）普遍適用。

地下處處都有地熱能，熱源可再生且穩定，具有普遍適用性，換熱孔位置的選定比較靈活，一般不受場地條件制約。

（2）安全可靠。

地下換熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命長（不小于30年）。地巖熱換熱孔孔徑小（約200 mm），深度在1 000 m以上，對建筑地基無任何影響；全系統低溫低壓運行，無化學反應，系統穩定，無安全隱患，可靠性高。

（3）自主供熱，靈活建設，適用范圍廣。

系統供熱不受氣候環境、燃氣、熱力等外購能源的限制，自主供熱，自動化程度高，無人值守；建設可根據項目進度分期、分步建設，實現片區乃至樓棟的分布式自主供熱。

（4）運行成本低廉。

系統無長距離輸送動力能耗和沿程溫降損失，單個換熱孔可滿足500～700 kW的熱負荷，全系統能效比COP值可達到5.0以上，運行成本低廉。

（5）綠色低碳。

系統無廢氣、廢液、廢渣排放，能量來自深層地熱能，碳減排效果顯著；系統與地下巖層物理隔離，只取熱不取水，對地上、地下水環境均無干擾。

2 發展應用現狀

2.1 中深層地巖熱技術發展現狀

近年來，中深層地巖熱供暖技術在陜西、河南、山東、內蒙古、北京等地得到了快速發展，已投入使用的建筑面積超過2 000萬m2，最具代表性的是陜西西咸新區中國西部科技創新港項目，該項目供暖面積為159萬m2，總熱負荷75.69 MW，共6座分布式能源站，91口地熱井。2022年3月北京城市副中心站綜合交通樞紐工程中深層地熱示范項目通過評審驗收，該項目地巖熱換熱井深2 745 m，穩定輸熱能力實現550 kW，最高超過660 kW，可向2.5萬m2建筑供暖。甘肅省天水市職教園區中深層無干擾地巖熱系統供熱（制冷）項目，供熱面積60萬m2，設計3座分布式能源站，采用32口換熱井滿足供熱和制冷需求。

據相關報告，在天津、河北亦有中深層地巖熱供熱項目建成，為該技術在全國不同地區推廣應用起到了引領示范作用。此外，上海、山東、黑龍江、河南等省市也積極開展深層地源熱泵供熱工程示范，截至2016年年底，全國建成的示范工程面積已超過600萬m2。可以看出，深層地源熱泵在建筑供熱方面的應用已受到國內外的廣泛關注[3]。

國內主要中深層地巖熱技術示范工程一覽表如表1所示。

表1 國內主要中深層地巖熱示范工程一覽表

2.2 中深層地巖熱供熱技術經濟性

采用中深層地巖熱供暖技術，一次性初始投資略高，但后期運行成本較低，全系統每平方米供熱面積投資230～260元。根據相關示范工程的應用經驗，全采暖季（150天）運行費用最低0.9元/（月·m2），最高2.3元/（月·m2）［電價按0.5元/（kw·h）計算］。以10萬m2建筑計算，若采用中深層地巖熱供熱系統，按現行北方取暖收費標準，每年相比集中供熱可節約費用150萬元以上，且建筑規模與供熱能力匹配程度越高、智能控制技術越適用，建筑本體節能效果越好，單位面積初始投資費用就越低。

2.3 中深層地巖熱技術發展趨勢

2.3.1 U型對接地熱井系統

U型對接地熱井系統與同軸套管換熱方式類似，只取熱不取水，采用水平井與直井對接的方式，冷水進水平井，熱水從直井出，此種方式水平段有效增加換熱面積，同時換熱量較同軸套管大幅增加。陜西煤炭地質集團已經成功完成2組U型地熱井的鉆探工作，井下對接技術工藝在地熱行業中尚屬國內首創，但U型對接地熱井系統缺乏相應的理論研究，換熱效率及井筒溫度場變化規律等有待進一步研究。

2.3.2 CO2熱管開采技術

熱管利用管內工質的相變，可以將熱量迅速地從高溫端傳輸到低溫端。熱管具有較高的傳熱性能和優良的等溫性能等特點。CO2熱管開采技術的突出特點是將CO2地質封存與熱管采熱相結合，在壓裂后的熱儲中注入CO2工質，繼而利用熱管內流體工質的蒸發—凝結相變過程將熱儲中的熱能傳輸至地面。與較常規流體介質（如水）相比，CO2具有更好的熱膨脹性能，在相同的溫度差下可以獲得更大浮升力/沉降力；同時CO2的黏性系數也小于水，在相同的壓力差下可以獲得更大的滲流速度。在深層干熱巖對應的環境條件下CO2工質處于超臨界狀態，采熱過程中熱管附近工質溫度的下降會在熱儲中形成較強的自然對流作用，從而達到提高熱管采熱率的目的。選擇重力熱管內流體工質時，工質的工作溫度是最主要的考慮因素。當熱管工質為蒸餾水時，工作溫度區間為30～250 ℃，十分符合高溫巖熱型地熱資源的溫度范圍，因此可以采用蒸餾水作為管內流體工質。

2.3.3 構建多能互補的區域能源系統

多能互補分布式能源系統是指可包容多種能源資源輸入，并具有多種產出功能和輸運形式的區域能源互聯網系統。它不是多種能源的簡單疊加，而是在系統高度上按照不同能源品位的高低進行綜合互補利用，并統籌安排好各種能量之間的配合關系與轉換使用，以取得最合理的能源利用效果與效益。

中深層地巖熱具有穩定可靠、綠色低碳的特點，作為區域供能系統中的基礎熱源，可與其他多種清潔能源構成多能互補的供熱系統，如與太陽能、空氣源熱泵、淺層土壤源熱泵、天然氣鍋爐、水熱型地熱能等構成多能互補的供能系統，可滿足全年生活熱水、供熱、制冷的需求，同時可減小中深層地巖熱系統的設備容量，降低初期投資，系統運行期間設備利用率提高，能效也隨之提高，具有良好的經濟性。

3 寧夏地區應用展望

3.1 清潔能源開發與利用

高效開發利用清潔能源是推進能源轉型、能源革命，實現碳達峰碳中和的根本路徑。2012年，寧夏成為全國首個新能源綜合示范區，截至2021年，其新能源累計裝機達2 574萬kW，占發電總裝機容量的43%，新能源電力消納比重達21.43%，居全國第二。2020年，習近平總書記視察寧夏時賦予寧夏建設黃河流域生態保護和高質量發展先行區的時代使命，同年寧夏將清潔能源作為九個重點產業之一，并提出推動地熱能開發利用，重點開發淺層、中深層地熱能。因此，地熱能的開發利用在寧夏地區有著優良的產業環境。

3.2 地熱資源的分布及特點

中深層地巖熱的開發主要基于地溫梯度原理，地溫梯度指地球不受大氣溫度影響的地層溫度隨深度增加的增長率。地溫梯度隨地質構造、地理環境等呈不同變化。寧夏回族自治區地處高原與山地交錯帶，大地構造復雜，從西面、北面至東面，由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍，南面與黃土高原相連；地形南北狹長，地勢南高北低，西部高差較大，東部起伏較緩[4]。

寧夏回族自治區的地熱資源，得到充分開發利用的地區主要處于銀川盆地。中國大陸整體的平均熱流值為63 mW/m2，地溫梯度一般為3.0 ℃/100 m。銀川盆地帶屬于熱區，平均熱流值為66 mW/m2，區域地質資料相關文獻數據顯示，其地溫梯度明顯偏高，一般為3.2 ℃/100 m。本區熱異常主要來源于地層深部地熱增溫及沿斷裂構造的熱水上移對流。由于基底巖層和蓋層的熱導率差異較大，形成了侏羅系基底突變增溫的異常特征，使得中深層地巖熱技術具有良好的開發利用基礎條件。銀川盆地內各地區低溫梯度如圖3所示。

圖3 銀川盆地地溫梯度變化示意圖

3.3 相關政策支持

2021年9月，國家發展改革委、國家能源局等8部委印發《關于促進地熱能開發利用的若干意見》（國能發新能規〔2021〕43號），明確了發展目標和重點任務：到2025年，地熱能供暖（制冷）面積比2020年增加50%；到2035年，地熱能供暖（制冷）面積及地熱能發電裝機容量力爭比2025年翻一番[5]。

2022年9月，寧夏回族自治區人民政府辦公廳印發的《寧夏回族自治區能源發展“十四五”規劃》（寧政辦發〔2022〕65號）明確提出：積極推進可再生能源供暖，利用熱泵等技術積極推廣淺層地熱能供暖，重點在銀川平原探索開展中深層地熱能供暖[6]。

2022年10月，中共寧夏回族自治區委員會和寧夏回族自治區人民政府印發的《寧夏回族自治區碳達峰實施方案》（寧黨發〔2022〕30號）明確提出：“鼓勵大力發展新能源，積極推廣淺層地熱能供暖，探索開展中深層地熱能供暖”“積極發展地熱能供暖，因地制宜開展淺層、中深層地熱能開發利用”[7]。

以上政策，對中深層地巖熱技術在寧夏地區尤其是銀川盆地的推廣應用起到了強有力的支持作用，結合寧夏地區的地熱資源特點，中深層地巖熱技術將對寧夏地區清潔供熱、能源結構體系調整、“雙碳”目標的實現發揮積極的作用。

4 結語

中深層地巖熱技術作為地熱能開發利用的主要技術之一，具有諸多優點。寧夏地區尤其是銀川盆地，地質結構穩定、地溫梯度較高，非常適合中深層地巖熱技術的應用。寧夏回族自治區清潔供熱、能源發展規劃、“雙碳”目標實施方案等相關政策的發布，對中深層地巖熱技術在該地區的推廣應用具有很強的引導作用，同時中深層地巖熱技術的應用對于區域能源結構調整、特色城市的打造等具有很好的支持作用。