太原地区地热资源应用技术研究

柳 涛

(中色十二冶金建设有限公司，山西太原 030009)

0 引言

随着我国可持续发展战略的不断深化，人们的环保意识越来越强，而且如今人们的居住观念由单一注重实用性、功能性的基本要求向舒适性、环保性及智能性等更高层次逐步转变。地热热泵作为一个新兴技术，有能力利用地下巨大的可再生储存能量，提供高效的供暖和制冷［1］。地热资源的利用将被认为是替代化石燃料的一种选择，在许多国家，正是由于地热热泵的利用才极大的减少了二氧化碳的总排放量。地热资源作为清洁能源，其市场适应性更强［2］。随着地热开发利用技术的不断成熟，配套政策机制的不断完善，地热的市场前景越来越广阔，安装热泵系统的数量会迅速增长起来。

1 地热资源的应用现状

1.1 我国地热资源的基本情况

地热是来自地球内部的一种能量资源。地球上火山喷出的熔岩温度高达1 200℃ ～1 300℃，天然温泉的温度大多在60℃以上，有的甚至高达100℃ ～140℃。地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能。地热资源按照其储存形式可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型五大类。

地热资源的开发利用主要分为两类:发电和非发电。我国把高于150℃的称为高温地热资源，主要应用于发电，把90℃～150℃和25℃～90℃地热分别称为中温和低温地热资源，可直接用于采暖、工业加温、水产养殖、医疗及洗浴等方面。

目前我国直接使用地热资源的设备能力为8 898 MW t，居世界第二位;年产出热能37 908 TJ/年，居世界第一位;但地热发电的机组热容量为24 MWt，在所有具有地热发电能力的国家中排名靠后。在我国地热资源中，中低温地热资源所占比例较高，而在中低温地热的直接利用中，供热采暖占18.0%，医疗洗浴占65.2%，种植与养殖占 9.1%，其他占 7.7%。

近年来，我国浅层地热资源开发利用量以每年30%的速度增长，2006年我国的地热泵供暖面积为3.7×107m2，2008年供暖总面积为6.2×107m2，2010年供暖总面积为 1×108m2，2012年供暖总面积为1.21×108m2。尽管如此，地热资源的利用率仍不高，且在整个能源结构中所占比例较低，不足1%，其发展前景广阔。

1.2 利用地热资源采暖的优点

利用地热资源采暖，即低温热水地板辐射采暖，它是新兴的一种取暖方式。其优点主要在于:

1)环保:地热资源与传统能源相比，具有可再生，零排放，对环境无污染等特点，尤其随着人们环保意识的增强及全球温室效应的影响，地热资源的环保性的优势将更加突出。

2)利用效率高:利用地热采暖的房间，其温度分布比较均匀，温度梯度较小，同等舒适感情况下其温度可比传统采暖方式低2℃ ～3℃，从而减少了供热量，提高了热能的利用效率。

3)温度均匀:地热采暖系统是将加热管道埋在地下，提高地表温度，通过地板向室内散热，避免了传统采暖方式的举架高，热空气上升，造成上热下冷的弊端，从而在保证室温的前提下又使温度分布均匀。

4)节省室内面积:地热采暖系统减少了常规采暖方式暖气片所占的室内空间，可节省室内有效面积6%左右。

5)健康舒适:地热采暖使得室内温度从下到上逐渐降低，其感觉舒适，且避免了对流供暖导致的室内气流剧烈，减少了尘埃飞扬。

6)运行成本低:传统采暖系统的暖气片一般在15年左右就需要更换部分管道和暖气片，而地热采暖只需定期清洗过滤器而已，运营成本仅为循环泵所需的电力费用，且其维修养护费用较低。

2 太原地区地热资源概况

2.1 太原地区地质背景

太原盆地位于山西中部，地势平坦，海拔为755 m～810 m，面积约为6 195 km2，西邻吕梁山系，东邻太行山脉，北部为棋子山，气候属于北温带半干旱大陆性气候，年平均降雨量450 mm，年平均气温9.5℃，汾河自北向南贯穿其中。

太原盆地属新生代断陷盆地，其地质变化经历了早前寒武纪的五台—吕梁构造期，中生代燕山构造期和新生代喜马拉雅构造期［3］。故盆地中北部发育次级地垒和凹陷，南部发育有太原城区凹陷、亲贤地垒和晋源凹陷。盆地内控制性断裂带分布较多，主要有东西边山断裂带和汾河断裂带。

2.2 太原地区地热资源

1995年，省地质工程勘查院在太原市西边山神堂沟村地下600余米深处探测到地热水，其储存在奥陶纪灰岩层中，水温42.5℃，单井涌水量2 520 m3/d。随后在沙沟、丽华苑、西华苑、煤炭学院等地探测出地热水，均储存于奥陶纪灰岩层中，其埋深为600 m～2 000 m，水温为35℃ ～50℃，涌水量为600 m3/d～6 000 m3/d。亲贤地垒隆起带地热水承压较大，水头高出地表10 余米［4］。

太原地区地热资源的平面分布特征如下:主要分布在奥陶纪灰岩层埋藏较深的地区;沿东、西边山及汾河断裂带分布;沿亲贤地垒隆起带分布;在汾河以西，热储层埋藏较深(1 300 m～2 000 m)，出水温度较高(40℃ ～60℃);在汾河以东，热储层埋深较浅(1 100 m～1 300 m)，出水温度较低(30℃ ～40℃)。

太原地区属于中低温隐伏型地热分布区，地热资源比较丰富，其开发利用前景广阔。

3 地热资源应用技术分析

3.1 工程概况

太原某住宅小区、商铺位于太原市亲贤地垒隆起带，该处地热资源丰富，因此应设置地热井系统进行采暖。此地热井所利用的热储层为奥陶纪灰岩层，由开采井和回灌井构成一循环系统，开采井和回灌井基本同层且结构相同，两者的成井深度均为1 500 m，矿化度为8.53 g/L，水的化学类型为Cl-Na型，井内平均温度为56.5℃。该地热井供热系统的设计供暖面积为20万m2。

该地热井供热系统采用一采一灌对井开采系统，利用潜水泵将地热水从开采井中抽取出来，再利用旋流除砂器进行除砂净化，进入分水管道;一个支流直接供给家属楼进行采暖，然后经过曝气除铁后，可用于洗浴，最后通过排水管排走;另一支流在经过换热器后交换出热水，再利用循环泵使得热水进入循环过程，从而为商铺、宾馆等区域直接供暖;地热尾水可利用过滤、排气等装置进行处理，最后通过加压泵进行加压回灌，经过回灌井回灌到地下热储层中，从而实现了热循环［5］，如图1所示。

图1 地热供热系统流程图

3.2 地热供热系统技术分析

为保证该供热系统长期高效的工作，可通过回灌试验来测定该系统的各项工作参数，从而有针对性的进行调试。回灌试验是制定地热资源可持续开采利用方案的重要环节，决定了整个系统的成败。

回灌试验具体流程为:在井下的潜水泵管上安装自动测试仪，用来测试水位;利用变频控制柜控制抽水井潜水泵，利用工频控制柜控制回灌井潜水泵，并在抽水井和回灌井连接管上安装流量计和控制阀［6］。该系统是在一定流量下依次加压进行回灌试验，逐级增加回灌量，增加量为2 m3/h，第一次回灌量为20 m3/h，当水位到达井口后，关闭排气孔和监测孔，进行加压;当井口压力持续增大时或回灌量持续减小时，停止回灌，进行回扬，回扬时间为6 h左右，测得各项参数后，进行下一次的回灌试验，通过若干次的试验后即可确定一个比较合理的回灌量、回灌时间、井口压力和回扬量等参数。

本文总共进行了6次回灌试验，具体数据如表1所示。在该统计结果中，第四次回灌可认定为最佳回灌方法，其总回灌量最大，回灌效果明显。从而可根据该回灌试验的结果对地热系统参数进行调试，以全面提高其供热效率。

4 地热供热系统总体评价

4.1 经济效益分析

地热资源的投资是一个长期的投资，属于固定资产类的投资，对企业的长远发展和长期盈利能力起着至关重要的作用。地热资源投资主要特点为耗资量大、回收期长、难于变现、一旦投资后改变决策的成本很高，因此应考虑各因素的影响，利用净现值法对整体经济效益进行分析［7］。

表1 回灌试验数据统计表

使用净现值法(NPV)时主要考虑两个因素:1)要预测项目未来的现金流量;2)要估计折现率。净现值的基本计算公式为:

其中，CI，CO分别为第i年的现金流入和流出;Pi为第i年现金净流值;R为不含风险的贴现率。

地热供暖系统的资金投入主要有初投资和运行费。其中初投资主要有:地热井、井口设备、换热站、调峰加热设备、供暖管道、终端散热系统。运行费主要有人员工资、水电费、管理费用、矿产资源补偿费、修理费、折旧费和税金等。

地热供暖系统的产出主要有取暖费收入、售水收入、清洁发展机制(CDM)补贴。

本项目的建设期为3年，运营期为12年，利用净现值法计算所得结果如表2所示。

表2 项目现金流量表 万元

从上述项目现金流量表中，可以对该项目的相关经济指标进行计算和分析。在整个建设及运营期的15年中，累计净现金流量为19 221.6万元，说明不存在亏损的情况。经过计算，该项目的静态投资回收期为3.4年，且内部收益率远高于行业基准收益率，所以该地热供热系统的经济效益良好。

4.2 环境效益分析

本项目采用地热资源综合利用及回灌工程，从而减少利用常规能源，每年可节约燃烧煤炭1 000 t，每年减少排放固气体污染物2 201.3 t，节约环境治理费30余万元。有效的改善了本地区空气质量，极大的保护了生态环境;在进行回灌作业时，增加地热资源储量的同时，减少了地热尾水排放对地表、地下水的影响。

5 结语

本文在分析地热资源在我国的利用现状及其优势的基础上，结合太原地区的地质情况及地热资源概况，对太原地区某地热供暖系统的综合利用技术进行研究，得出以下几点结论:

1)地热资源在我国的应用发展前景广阔，其优势明显，主要有:环保、利用效率高、温度均匀、节省室内面积、健康舒适、运行成本低等。

2)太原盆地属新生代断陷盆地，南部发育有太原城区凹陷、亲贤地垒和晋源凹陷，属于中低温隐伏型地热分布区，地热资源比较丰富，开发利用前景广阔。

3)太原某地热井供热系统采用一采一灌对井开采系统，由开采井和回灌井构成一循环系统，开采井和回灌井基本同层且结构相同。经过回灌试验的调试后，其供热效果良好。

4)利用净现值法对该地热系统进行分析，该项目的静态投资回收期较短，内部收益率远高于行业基准收益率，经济效益良好。

［1］鹿清华，张晓熙，何祚云.国内外地热发展现状及趋势分析

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［3］王聪明.太原盆地地热构造研究［J］.能源及环境，2011(6):16-18.

［4］马 腾，王焰新，马 瑞.太原盆地区碳酸盐岩中—低温地热系统演化［J］.地球科学—中国地质大学学报，2012，37(2):229-237.

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［6］朱家玲，朱晓明，雷海燕.地热回灌井间压差补偿对回灌效率影响的分析［J］.太阳能学报，2012，33(1):56-62.

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