通遼市科左中旗保康鎮地熱回灌供暖系統節能效益分析

［關鍵詞］地熱回灌；供暖；節能效益

隨著人類生活水平的提高，能源和環境問題日益突出，給生活和發展帶來了巨大的壓力。為解決這些問題，探索更加清潔、環保的能源是當務之急。地熱回灌供暖系統作為一種新型的供暖技術，不僅能夠有效利用地下熱能，還能顯著減少溫室氣體排放，具有廣闊的應用前景[1]。取熱不取水是地熱資源可持續利用的基本原則。合理回灌，保持地熱水資源的采補平衡，通過循環方式利用地熱資源，是可持續利用資源的模式[2]。地熱供暖系統具有地熱資源近乎免費的優勢，但由于回灌能力具有受當地地質條件影響的特殊性，所以，根據當地地質條件特征合理選擇供暖自控策略尤為重要[3]。

國內外對地熱資源的梯級開發利用做過大量研究，ZHENG 等[4] 在研究中指出，同燃煤供暖系統相比，地熱梯級供暖系統在最優策略下系統可節約75.1%的標準煤，具有節能效益。我國水熱型地熱資源總量折合標準煤1.25×10¹² t，水熱型地熱資源年可采量折合標準煤19×10⁸ t[5]。水熱型中深層地熱資源的利用方式包括發電與供熱兩種，以建筑采暖利用居多，截至2019 年底，我國北方地區水熱型地熱采暖面積累計已達2.82×10⁸ m²[6]。

內蒙古地區雖然擁有豐富的地熱資源，但開發程度相對較低。2019 年內蒙古自治區自然資源廳申請開展了“內蒙古自治區城市地熱資源勘查與示范工程”專項工作，一項子專題“通遼地區科左中旗保康鎮水熱型地熱開發利用與保護示范研究專題”成功建立了一套地熱回灌開采示范工程，該工程為自治區首次建立地熱回灌供暖系統，不僅可以作為示范小區的能源替代方案，還可以為其他地區展示地熱回灌開采的可行性和效益，為區內其他地區開展類似項目提供了借鑒和指導經驗。

本文通過分析該示范工程實測的一個采暖期內地熱回灌供暖系統運行數據，總結運行經驗，為類似地區的地熱供暖工作提供借鑒，同時對該供熱系統具備的節能效益進行評價。

1. 供暖監測系統概況

目前保康鎮供暖以傳統的燃煤集中供暖為主。本次供暖系統為附近某小區提供熱源，該小區共計11棟住宅單體和1 棟物業配套用房，供暖建筑面積約為40221.78 m²，根據相關項目暖通設計圖紙，總供暖熱負荷為1693.7 kw，供暖系統設計按照單體熱負荷1.2倍計算，即2032.44 kw，建筑最高層數為8層，最高為22.85 m，供暖系統為低區系統。系統于2021年10月21日正式啟動并進行供暖。

系統主要使用一級、二級板式換熱器，熱泵機組將一次網地熱流體的熱給到二次網系統循環水加熱，通過二次網管道循環泵將加熱后的二次側系統循環水為建筑用戶供暖。

圖1為該小區供暖系統運行數據監測系統，監測參數包括溫度、流量、壓力、水位、電量，共設置溫度測量裝置13個、壓力測量裝置8個、流量測量裝置3個、水位測量裝置1個和電量測量裝置1個。

2. 運行數據分析

2.1地熱井運行數據

地熱井內的地熱流體作為示范站供暖熱源。為保證熱源供熱質量，同時防止因開采量過大引起掉泵，需科學選擇開采量，保持適宜的流體溫度。

圖2為開采井口運行數據歷史曲線圖，通過監測系統數據分析，在144 d的運行周期內示范站地熱井流量設定在70～93 m³/h，動水位埋深在57～80 m之間，一次網側進口流體溫度一直保持在42℃左右。除調整流量外，動水位埋深沒有明顯下降的趨勢，也未出現熱突破的現象。

供暖初期，室外溫度在0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，開采量在80 m³/h左右；

供暖中期，室外溫度在0℃以下，供熱量需求較高，使用一、二級板換和熱泵進行供熱，開采量在75 m³/h左右；

供暖末期，室外溫度恢復到0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，開采量在80 m³/h左右。

2.2換熱運行數據

地熱入（一）溫度、地熱出（一）溫度為一級板式換熱器一次網側進出溫度，換熱供（一）溫度、換熱回（一）溫度為經過一級板式換熱器換熱二次網側的供水和回水溫度。圖3為一級板式換熱器換熱溫度數據在本供暖季運行的歷時曲線圖，地熱入（一）溫度一直保持在42℃左右，曲線中出現溫度低于42℃的情況為地熱井臨時停泵引起的；地熱出（一）溫度在30～40℃范圍內，大部分溫度數據在34～36℃區間波動；換熱供（一）溫度在34.5～41.7℃范圍內，大部分溫度數據在38～40℃區間內波動；換熱回（一）溫度在30.5～39.5℃范圍內，大部分溫度數據在34℃左右波動。

地熱入（二）溫度、地熱出（二）溫度為二級板式換熱器一次網側進出溫度，換熱供（二）溫度、換熱回（二）溫度為經過二級板式換熱器換熱熱泵機組側的供水和回水溫度，熱泵供溫度、熱泵回溫度為經過熱泵機組換熱二次網側的供水和回水溫度。圖4為二級板式換熱器及熱泵機組換熱溫度數據在本供暖季運行的歷時曲線圖，地熱入（二）溫度在30～40℃范圍內，大部分溫度數據在34～36℃區間波動；地熱出（二）溫度在25.37～36.76℃范圍內，此溫度受熱泵機組控制，熱泵機組啟動時溫度能降到32℃以下，熱泵機組停止時溫度在32℃以上；換熱供（二）溫度在27.18～37.76℃范圍內，換熱回（二）溫度在19.95～34.99℃范圍內；熱泵供溫度在34.5～41.7℃范圍內，大部分溫度數據在36℃左右波動；熱泵回溫度在30.5～39.5℃范圍內，大部分溫度數據在34℃左右波動，熱泵機組供回水溫差在2℃左右。

供暖從2021年10月20日開始，室外溫度在-21.76～19.32℃范圍內，0℃以上的天氣有25 d占17.4%，0℃以下的天氣有119 d占82.6%，冬季較為寒冷，見圖5。

一級板式換熱器與熱泵機組的水混合在一起為總供水和回水，供水溫度32.77～43.42℃ ，回水溫度30.55～39.53℃，溫差一般在2.5～3.5℃之間，比較穩定，室內溫度一直保持在25～26℃。以上數據顯示該系統運行良好，供熱效果優異。

供熱系統總供水和回水溫度的差值，總供回溫差數值在1.33～4.22℃范圍內，二次網側的總流量158.5～291 m³/h，供熱系統提供的熱量46.63～117.77 GJ，系統提供的供熱量對應當日的室外溫度及用戶端的需求，見圖6。

2.3回灌運行數據

地熱流體經過換熱提取熱量，通過回灌系統凈化水質，使用管道加壓泵使其回灌至回灌井內。回灌量在18.6～54 m³/h范圍內，回灌壓力最大1.08 MPa，回灌溫度在25.37～36.76℃范圍內；回灌量對應回灌壓力較為穩定，未出現明顯的回灌衰減問題。對2021年11月12日～2022年3月12日的供暖數據分析可知，回灌量為20 m³/h左右，穩定壓力約0.39 MPa；回灌量為33 m³/h 左右，穩定壓力約0.72 MPa，見圖7。

該地區以前未開發過地熱資源，地熱井在開采前壓力水頭0.10 MPa，存在自流現象。回灌井目前加壓至0.74 MPa 時，能回灌32.5 m³/h，整體系統回灌率能達到40%左右，當該地區使用地熱資源并使區域熱儲壓力下降至一定程度后，系統回灌率能上升，能達到采灌平衡的狀態，使得地熱資源可持續開發利用。

3. 節能效益分析

冬季采暖室外溫度變化，為了維持室內溫度恒定、保護地熱資源并且減少運行成本，系統運行地熱井開采量及熱泵開啟功率應根據室外溫度變化適時調節。

試運行階段根據氣溫，調試系統內各個設備運行狀態，系統試運行初期，開采量波動比較大，在70～93 m³/h范圍內不斷調試，當氣溫在0℃以上，選擇潛水泵僅帶一級板式換熱器，不啟用熱泵機組及二級板式換熱器，二次網供水溫度能達到37～39℃、回水溫度能達到35.5～37℃，住戶室內溫度能達到23～27℃；系統耗電功率為65～79 kW/h，節能效果顯著。

當氣溫在0℃以下，選擇啟動熱泵機組熱泵回水溫度設定在35～36℃，二次網供水溫度能達到37～41℃、回水溫度能達到35.5～37℃，住戶室內溫度能達到23～27℃；系統瞬時功率為85～206 kW，供熱效果優異。

2021年11月9日，保康鎮本供暖季遭遇第一場大雪，氣溫驟降至零下，用戶體感溫度偏低，選擇開啟熱泵，并設定較高溫度，以保證居民樓室內溫暖。如圖8所示，11月9日當天，瞬時功率在317～321 kW 之間，室內溫度保持在27℃以上。動態監測平臺顯示，此階段功耗較高，節能程度低。

通過分析監測平臺動態運行數據，根據室外溫度，保證供暖效果的前提下，科學調整熱泵開啟時間及運行方式，節能調控降低非必要功耗損失。見圖9，12月25日，室外溫度在0：00～6：00，18：00～24：00時間段處于全天平均溫度-10℃以下，最冷達-16℃，在此時間段運行熱泵機組，系統瞬時功率199～317 kW，最高為317 kW；室外溫度在6：00～18：00時間段處于全天平均溫度-10℃以上，最高溫度達0℃，在此時間段內間歇運行熱泵機組，系統瞬時功率86.4～270 kW，最低為86.4 kW。

圖10顯示，12月26日，室外溫度在0：00～8：00，20：00～24：00時間段處于全天平均溫度-8℃以下，最冷達-15.5℃，在此時間段內運行熱泵機組，系統瞬時功率在199～314 kW之間，最高為314 kW；室外溫度在8：00～20：00時間段處于全天平均溫度-8℃以上，最高溫度達7.3℃，在此時間段內間歇運行熱泵機組，系統瞬時功率在159～271 kW之間，最低為159 kW。

能效比是能源轉換效率之比，能效比越大，意味著節能效果越好。系統日運行能效比見圖11，熱泵未開啟，熱泵開啟，能效在4～5范圍內波動。

供暖初期，室外溫度在0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，日均能效比在5～8.5范圍內波動；

供暖中期，室外溫度在0℃以下，供熱量需求較高，使用一、二級板換和熱泵進行供熱，日均能效比在4～5范圍內波動；

供暖末期，室外溫度恢復到0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，日均能效比在5～6.3范圍內波動。

4. 討論

4.1該系統具有顯著的環境效益

本次地熱資源開發采用了循環利用集約化供熱工藝，可有效減少常規燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量，累計減少CO₂排放量115.1×10⁴ kg；累計減少SO₂和NO_X排放量13979 kg；累計減少粉塵排放量4659.85 kg，節能減排效果明顯，具有良好的環境效益。該系統的推廣會對推動能源結構轉換、實現碳達峰碳中和目標起到重要作用。

4.2該系統具有較好的經濟效益

截至2022年3月19日，系統累計運行時間3500.41 h，累計耗電量64.49×10⁴ kwh，系統運行費用約為32.245 萬元（電價按照0.5元/度計）；對比燃煤鍋爐供暖系統（這是標準煤，計算公式需要用能效公式計算），燃煤鍋爐需燃煤46.6×10⁴ kg（標準煤）才能保障居民供暖效果，運行費用高達121萬元（時價2600元/噸）（這里一般要換算成原煤），具有良好的經濟效益。

當然在評估地熱回灌供暖系統的經濟效益時，需要考慮多個因素，包括投資回收周期、運營成本、節約能源費用等。因2021年煤價較高，本系統運營成本與燃煤相比優勢較為明顯。國內其他地區地熱回灌供暖系統數據顯示，通過地熱供暖可以帶來顯著的經濟效益。

5. 結語

通過一個供暖周期試運行，成功驗證了在高緯度地區利用40～45℃的地熱流體進行集中供暖利用可行性，為內蒙古自治區大部分地熱資源品質較為普通（溫度低于50℃）的地區開發利用地熱資源提供了方向。系統運行具有較好的經濟效益和環境效益。

內蒙古自治區地熱資源還未進行規模利用，要借鑒國內成熟的地熱資源規范化開發利用及保護技術，在具有地熱資源開發潛力的地方，結合當地的能源需求，建設技術先進、節能環保、效益顯著的地熱資源開發利用及保護示范工程，為內蒙古自治區進行能源結構優化提供新的方向，為實現減污降碳協同效應這一目標助力。