地热能源在天津滨海新区供热系统中的可持续开发应用研究——以天津外国语大学为例

王少珺

(天津外国语大学后勤处，天津 300204)

地热能源在天津滨海新区供热系统中的可持续开发应用研究
——以天津外国语大学为例

王少珺

(天津外国语大学后勤处，天津 300204)

地热能源作为可再生新型能源，凭借其低开采成本和无污染的优势，成为供热系统赖以开发和研究的新宠，受到了越来越多专家学者和节能行业的关注。天津滨海新区拥有大量丰富的地热资源，作为国家开发开放的重要组成部分，在供热系统中使用地热资源也成为国家的排头兵。近年来，随着多年过度开发和利用，也使得热能有枯竭趋势。本文以天津外国语大学滨海校区为例，对地热能源在供热系统中的应用进行分析，并对其可持续开发从合理规划、阶梯利用、尾水回灌和深层地下水开发等方面提出对策和建议，以期能够提高利用率，降低成本。

地热能源；供热系统；可持续利用；滨海新区

1 研究背景

长期以来，我国供热能源结构一直以煤炭为主，由于煤炭燃烧排放的大量有害物质导致城市空气质量恶化和大规模酸雨沉降。近年来，我国主要城市都将提高城市空气质量，减少一次能源的消耗加入城市发展规划，许多城市都划定了禁止燃煤区和限制燃煤区，区域供热燃煤的使用受到限制。环境制约着经济的发展，天津滨海新区作为国家开发开放战略的重要组成部分，如何解决好环境与经济发展间的矛盾成为了深化改革的重要课题。多年来，滨海新区利用所拥有的地热能源优势，大力推行清洁能源的利用，然而经过多年的过度开采利用，导致水位迅速下降。本文以天津外国语大学滨海校区为例分析地热能源的循环利用，进而分析地热能源在滨海新区供热系统中的循环利用，促进清洁能源在滨海新区的可持续开发，为开展天津市“美丽滨海·一号工程”提供有力保证。

2 地热能源供热系统的介绍及利用现状

地热是由于地球物质中所含的放射性元素衰变产生的热量，目前探明，滨海新区地下热水层共六层，其中第一至第三层属孔隙型地热层，第四至第六层属基岩型地热层。早在上世纪70年代，滨海新区就开始利用地热资源。当时拥有先进技术和设备优势的渤海油田、大港油田，在全国率先开采地下热水资源。经过40多年的开采，前三层的地下热水已经远远不能满足使用需求，截至目前，天津滨海新区共有122眼地热井，其中第一层明化镇层地热井9眼，第二层馆陶层地热井99眼，第三层地热井4眼，第六层雾迷山层(基岩层)地热井10眼，滨海新区年可采地热水储量1774万立方米，实际年开采量约471万立方米。地热能源供热系统是将地下热水通过地热泵吸入输入供热管道，经过一、二级换热，用于集中供热。根据天津市地热勘查开发设计院2014年11月统计数据，天津市滨海新区7300余家企业单位使用地热供热，地热能源不仅二氧化碳零排放，对环境零污染，同时可以可再生循环利用，极大提高了能源的利用率，降低企业成本。

3 滨海新区高校地热供热分析

高等院校作为人口密集区域属于天津滨海新区供热大户，目前滨海新区共有高校13所，如果都使用地源热泵供热，将会节省很大一笔办学成本。以天津外国语大学滨海校区（以下简称外大滨海）为例，现阶段，有常驻师生共计9800余人，教学楼4栋、宿舍楼18栋、招待所2栋，总建筑面积共计13.6万平方米，其中4.2万平方米使用地热供热系统。外大滨海地源热泵供热系统始建于2008年，使用的是沈阳市华科泵业有限公司生产的2组KH-100水源热泵，冬季供暖，夏季制冷，根据综合耗水、耗电量，以及设备维护等费用计算得出平均单位面积供热费用为12元/平方米，极大减少了供暖费用。

采用地热能源供热，不仅提高能源利用率，降低大气污染，更重要的是为高校节约了大量的办学成本，每年供热费用仅为传统供热方式费用的一半。鉴于天津外国语大学滨海校区地热供热比例仅为校区建筑面积的三分之一，如果整个校区需要采取地热供热则每年需要消耗6000吨标准煤，以滨海新区地热标准计算共需要约4组年采20万立方米热水的地热井。外大滨海地热井处于明化镇层，经测量：2008年成井时，静水位为17m；2014年经勘查发现静水位降至35m，年均下降速率为3m。预计按此速度在现有供热面积不变的情况下，至2020年现有地热井将无法提供地热水源。而且近来附近企业单位还在加快地热供暖利用，离学校不足 300米就有一处直接抽取地源热水作为洗浴用水源的私采点。种种迹象表明，地热水位不断沉降，动态类型属开采-弱径流-疏干型，且有逐年增速的趋势。所以如何使地热能源持续利用，成为我们亟待解答的问题。下面先就产生上述情况的原因进行分析。

4 成因分析

4.1 地质因素

外大滨海所属区域为天津滨海新区典型地质结构，其中馆陶组底界断裂较发育，断裂大多呈北西西向和北东向展布,两组断裂将新生界馆陶组以下地层切割成不规则四边形块状。断裂上下盘落差一般为20m～40m。断裂存在一定的断距，使上下盘砂层错开，如果砂层对应率高，形成导水断层，如果砂层对应率低，则形成阻水断层。外大滨海目前的三组热井，分别为热井1，热井2，热井3，经试验得出结论其中热井1抽水时，热井2和热井3水位并无变化；热井2抽水时热井3水位下降明显，热井1水位无变化。这一结论证实了位于热井1和热井2、3之间的断层一定程度表现出了阻水性质，断层阻断了热井间的侧向径流补给。

4.2 开采层位、区位过于集中

各单位为了节约成本，大多选取浅层地热层位，如明化镇层和馆陶层，而且由于浅层地热水温较低一般不会超过65度，所含能量相对较低，所以如需足够能源则需要开采大量地源热水，加剧了地下水位的降低速度。

4.3 粗放型的开采利用方式

以外大滨海地热供热系统为例，经过二级换热后的地源热水依然有三十摄氏度左右的尾水，而这些尾水就被直接排入市政下水管网，被作为废水白白浪费掉了，地源热水整体的能源利用率不高。

5 地热能源的可持续利用研究

随着地下水水位的不断下降，必然会对地热利用带来困难，且最终走向终止。为了实现地热资源的可持续开发，针对地热水水位下降影响因素，2014年天津外国语大学与相关技术单位根据多方考察，根据外大滨海的实际情况，制定合理的地热资源利用计划和保护措施。

5.1 合理规划地热资源

加强对本区域地热资源的勘测，采取科学的手段，对已有的地热井水温度、储量、水位沉降速度进行综合勘测。对于沉降速度较快的井口，必须减少其热泵工作量，合理规划地热资源的利用。

5.2 地热资源梯级利用

鉴于供暖循环后水温仍可达到40℃，初次供暖循环尾水可再次进入供暖系统进行二次供暖利用，既可提高地热资源利用率，又可解决供暖水量不足的状况。通过地热资源的梯级利用提高地热资源利用率，可有效减少地热资源开采量。

5.3 地热尾水回灌

目前区域回灌试验已证实了新生界热储层尾水回灌的可行性。外大滨海正积极与地方政府合作，在校区创建天津滨海新区首家高校地热回灌系统示范工程，求得本地热田热储层回灌参数，根据热储层回灌能力进行回灌井布设，实现地热尾水同层回灌，从根本解决地下水补偿回馈问题。

5.4 深层地下水开发

目前，现有利用的地热层位为明华镇层，本地区明化镇组热储特点为：地热水温度约为50oC，水质较好，水矿物质化学类型为HCO3-Na型，矿化度一般小于2g/L。以上特点决定它在小规模供热开发是必须采取热泵技术和回灌开发模式。为避免单一层位开发，可以考虑在利用浅层资源的同时，并行开发利用深层地热资源，如馆陶层。馆陶组热储特点为：地热水温度约为 70oC，水矿物质化学类型为CL-Na型，矿化度一般为2g/L。由于水温较高，水源所含能量较大，馆陶组热储非常适用于大规模工业的供热，可以利用工业热泵技术充分提高系统负载能力和热利用率。

5.5 封闭式回灌开发

对于馆陶层地热开发利用可以考虑使用封闭式回灌的开发利用系统，只用热不用水，以避免抽取地下水带来的地下水位沉降。

5.6 改进技术提高利用率

由于尾水温度一般均在40度左右，不能及时做到尾水回灌，也可以通过改进技术对尾水加以利用，提高整体资源利用率，从而降低开采能耗比。如何提高地热资源利用率？除开采水质较好、温度较高的地热流体外，地面利用方案是十分重要的。在供热系统中以地热能做基础热负荷将极大地提高地热资源利用率；在技术采用上，要选择梯级的、集约化利用模式；采用热泵技术可把地热流体中的热能榨干取净，尾水温度降至 80oC；在供暖末端设备选型上，利用地板辐射采暖技术和风机盘管技术也是提高地热资源利用率的有效途经。

综上所述，地热能源作为清洁的可再生资源，极大地缓解了能源紧张的压力，但是由于过度无节制的开采，地热利用整体存在着水位降幅较大，水位自动检测水平较低，整体回灌率较低，能耗比较大，利用较低等一系列问题，导致地表沉降，烧泵现象，热井干枯等弊端已经凸显。如不重视上述问题，并对资源加以保护，未来将面临着地热资源全面枯竭的严重局面。提高地热资源利用率是一个系统工程，滨海新区应该利用自身经济、政策、技术优势，确立地热能源的行业标准，建立行业技术规范，进行方案优化和严格的设计审查来实施；通过改革技术提高地热资源利用率，减少地热水开采量，达到低产高效的目标；同时加大投入确保对地下水位的回馈与补偿，以此来提高地热能源在供热系统的可持续利用率。

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王少珺(1986-)，女，汉族，现就职于天津外国语大学后勤管理处，助理工程师，硕士研究生，主要研究方向：供热管理，能源管理。