干热岩技术在建筑物供暖中的应用分析

乔　婧， 张　超， 秦志刚， 曹力锋， 张亚伟

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.郑州沃德空调有限公司， 郑州 450000)



干热岩技术在建筑物供暖中的应用分析

乔婧1， 张超1， 秦志刚2， 曹力锋2， 张亚伟1

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.郑州沃德空调有限公司， 郑州 450000)

摘要：分别从干热岩特点及在建筑物供暖中应用的意义、基本模式及研究现状、应用的优势及存在的问题等方面对干热岩技术在建筑物供暖中的应用进行了分析，并对存在的问题提出相应的建议。

关键词：干热岩技术; 地热资源; 建筑物供暖

高能耗和环境污染是我国经济持续、快速、健康发展必须要解决的两个关键问题。地热资源因其可再生、无污染以及储量丰富等优点引起了世界各国的广泛关注。地热资源中的干热岩型资源避免了热水型资源开发利用导致的地面沉降等问题。此外，干热岩的开发利用具有普遍性，从理论上讲，只要深度达到在任何地方都能发现热源，因此，干热岩吸引了国内外研究者的广泛关注。

国外对干热岩的研究起步较早，20世纪70年代起，美国开始对干热岩进行勘察研究，并在4 500 m深的钻孔内发现330 ℃的干热岩。随着美国干热岩技术的发展，许多国家相继开始干热岩的研究工作。欧洲干热岩技术最为先进。自1977年起，德国在欧共体的资助下对岩石自身裂隙、水压产生裂隙的形成机制以及水在裂缝中的规律进行研究。1980年，日本在山形县发现250 ℃的岩体，并着手研究水—岩体间的换热,并与欧洲、美国等国家进行交流合作[1]。此外，英国、法国、瑞士等国家也在干热岩技术上取得突破。到目前为止，我国对干热岩的研究还处在起步阶段。2007年，中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm公司合作，对我国的地质进行研究，分析潜力地区。我国第一个干热岩863计划“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”在2012年启动。该项目分为干热岩靶区工程测试及人工压裂工艺技术研究、干热岩地热地质资源评价与开发技术研究、干热岩发电及综合评价关键技术研究以及干热岩能量转换效率评价技术研究4个课题，由吉林大学、清华大学、天津大学以及中国科学院广州能源研究所共同参与[2]。2013年7月，吉林大学举办“第一届国际干热岩资源勘查和增强型地热工程学术研讨会”。2014年4月，勘测人员在青海共和盆地成功钻获温度高达153 ℃的干热岩。这是我国首次发现大规模可利用干热岩资源，面积超过150 km2。2014年7月，西安市发改委组织召开“干热岩供热技术”专家论证会并在西安推广使用。

本文根据我国干热岩分布、原理、技术发展等方面的特点对干热岩技术在建筑物供暖中的应用进行分析，总结出干热岩供暖的优势以及现阶段面临的问题，并提出建议。

1干热岩的特点

1.1含量大、无污染

图1　干热岩形成

干热岩又被称为热干岩，是埋藏在地下3 000～10 000 m，温度大于150 ℃且内部不存在流体或仅有少量流体的高温岩体(如图1所示)。通常为黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等变质岩或结晶岩[3]。干热岩内部含有丰富的热能。根据国土资源部的数据，我国大陆3～10 km处干热岩资源的总量可折合714.9万亿吨标准煤。若按2%可采资源量计算，是传统水热型地热资源量的168倍，是我国2010年能源消耗总量的4 400倍[4-5]。干热岩的开发利用仅仅产生能量交换，不会对环境产生影响。以100万m2建筑为例，一个采暖季可替代标准煤约1.6万t，减少二氧化碳排放4.3万t，减少二氧化硫排放136 t。

1.2分布广泛

表1为3～10 km深度范围内我国干热岩温度的分布情况。由表1可知，温度最高、含量最大的干热岩资源分布在青藏高原南部，占全国干热岩资源总量的20.5%。在青藏高原南部，当深度为3.5 km时，部分干热岩温度达到了150 ℃；深度为5.5 km时，大部分地区超过200 ℃；深度为7.5 km时，部分地区温度达到300 ℃。干热岩资源储量较为丰富的地区还有华北(含鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑)、东南沿海、东北以及云南西部等地区，分别占全国干热岩总资源量的8.6%、8.2%、5.2%和3.8%。

表1　中国大陆干热岩分布情况[5]

2干热岩供暖基本技术

干热岩供暖需要使用勘探钻机向地下一定深度高温干热岩层钻孔，通过特殊的方法将地下的热量传输到地上以便建筑物供暖使用。其供暖方案主要有3种。

2.1双井循环置换法

利用高压注水等措施构造人工热储，并将注水井与生产井打通；注入循环介质，使介质在人工储热水库内吸收干热岩中的热量并从生产井内喷出，进入换热器进行热量交换；换热后的低温介质再回到注水井中，从而达到循环(如图2所示)。

图2　干热岩利用原理图

根据图2可以看出，该系统中最关键的部分是地下人工热储的构造。现阶段地下人工热储的构造主要有3种模式：①人工高压裂隙模式。这是最早采用的模式。岩体自身不存在裂缝时，向注入井高压注入低温介质，高压超临界水会使岩体在大致垂直于最小地应力的方向上产生许多裂缝，随着低温水的不断注入,裂缝不断增加、扩大,并相互连通，实现介质换热[6]。②天然裂隙模式。英国卡门波矿产学校提出，岩体自身存在天然裂缝时，向干热岩内注水，随着水量的增加，裂缝不断扩大,并相互连通,可形成面状人工干热岩热储构造。与人工高压裂隙模式相比，该模式换热量更大，效果更好。③天然裂隙-断层模式。该模式为新近模式，利用岩体自身的天然裂缝与天然断层进行换热，通过断层连接注水井与出水井，从而得到更好的换热效果，提高系统的渗透性。

产生裂隙的方法还有热应法和爆炸法[6]。热应法采用热胀冷缩原理，使温度突然升高或降低产生裂缝。但该方法难以形成大规模岩体破裂。爆炸法利用爆炸时的能量产生新裂隙，其缺点为不可控性大。

2.2单井循环置换法

高温钻孔内放置套管。外管管径较粗，内管较细，利用高压将低温介质从内管注入井底，被高温岩石加热后通过外管返回,返回的高温介质进入换热器与热力管网内介质进行换热，达到取暖目的。

该方法仅需一个井口，节省投资，但传热工程中热损失量大。高温介质在压力的作用下从深井导出，数千米传输过程中产生热量损失，严重影响热量的利用率，对岩石的温度要求更高。

2.3单井导热法

在地下高温钻孔内安装密闭的特殊换热装置，借助换热器将地下深处的热能导出，导出的热量与水换热后通过集中供热系统向地面建筑物供热。

此方法与第二种方法类似，可节省投资，技术要求不高，但对设备的导热性能要求高。因此，寻找合适的导热材料是推动干热岩供暖发展的首要措施。

3干热岩供暖技术的优势

与干热岩供电及传统供暖方式相比，干热岩供暖技术具有很大的优势：①温度要求不高，钻井深度较浅。干热岩发电要求的蒸汽温度高，而采暖温度为50～80 ℃，大大低于发电温度，钻井深度也相对较浅。②技术要求不高，系统简便。对发电而言，钻井钻头的耐热度需达到350 ℃，这大大增加了开发的难度和费用；干热岩供暖所需钻井深度较浅，技术要求较低，系统更加简单。③可连续使用。大量不间断换热会导致岩石温度降低，干热岩发电站在连续工作约20年后需间隔几十年的时间以便干热岩重新被加热。而干热岩采暖则可不间断使用。一方面，供暖所需热量少；另一方面，一个采暖期为4个月，剩余8个月则可恢复消耗的热量。④投资相对较小，更容易操作。以10万m2的建筑为例，采用干热岩供暖的最初投资约为500～600万元，而热力公司供暖初投资则需700万元左右。⑤环保、节能、对环境无害。无废气、废液、废渣等污染物排放，对环境保护具有重要的意义。以100万m2建筑为例，一个采暖季可替代标准煤1.6万t，减少二氧化碳排放4.3万t，减少二氧化硫排放136 t。且运行成本仅为燃煤集中供热的35%。⑥安全可靠，突破用地制约，系统安全稳定。该系统无运动部件，稳定可靠，孔径小且深，对地基无影响。与其他可再生能源相比，干热岩系统与外界接触少，不受外界因素影响，系统稳定，且利用干热岩供暖仅产生热量交换，避免了热水型资源利用因过度开发而导致的地面沉降等问题。⑦干热岩分布极广且含量大，从理论上讲，只要深度达到就可以找到干热岩并获得理想的温度。

4干热岩供暖技术存在的问题及对策

4.1干热岩供暖技术存在的问题

目前，我国对干热岩的研究还处在起步阶段，仍有许多问题需要解决：①干热岩勘测精度。干热岩无处不在，只要深度达到就能得到相应的温度。但随着钻井深度的增加，压力等各方面问题越来越突出。因此，目前开发潜力最大的仍为浅层干热岩，这就要求能够准确勘测出干热岩的深度及位置。②技术方面的问题。我国干热岩的开发还面临许多技术瓶颈：高温钻探技术、大面积人工热储压裂技术、人工热储裂隙跟踪技术、防斜钻井技术等关键技术还需要进一步发展[7]。③传热过程热损失量大。干热岩供暖是利用深井把地下热能导出以供使用，而在数千米的导热过程中热损失量巨大，这将严重影响热量的利用率。④循环介质的优化。水是目前常用的循环介质，但在循环过程中难免会产生介质流失，因此需要充足的水源进行补水。此外，水在高温环境中会溶解岩石中的矿物质，改变裂隙的渗透率，从而影响系统的稳定性。⑤微地震的检测。在瑞士巴塞尔地热项目中曾出现过诱发微地震的状况。

4.2对策

针对干热岩供暖技术目前存在的问题，为加快干热岩供暖技术在我国的应用，应注意以下几个方面的问题：①我国对干热岩的研发起步较晚，应抓紧制定研发规划，支持学术交流，吸取国外先进经验，抓紧突破技术瓶颈，加快我国干热岩开发的步伐。②水作为循环介质具有一定的不足，且干热岩储层边界相对封闭，采用超临界CO2作为携热介质成为可能[8-9]。这是一个新兴的研究领域，CO2作为介质既解决了岩石矿物质的溶解问题，又实现了CO2的再利用，使CO2在地下固化，对节能环保具有重要的意义[10-11]。③减少热量传递过程中的损失必须提高传热设备的导热性。寻找既满足地下特殊的环境要求，又具有良好导热性能的导热材料是首要措施。④随着技术的进步，干热岩技术必将大规模利用，这可能会带来一些未知的负面问题。因此，国家应加强微地震监测，规范开采行为，避免不可控情况的发生。⑤现阶段可利用的是浅层高温岩体。因此，干热岩供暖技术可大面积推广，干热岩发电则应在其主要分布区进行。

5结语

传统的供暖多利用化石燃料燃烧提供热量，产生的污染气体及粉尘对我国的环境产生恶劣的影响。而干热岩供暖具有安全可靠、投资低、无污染物排放的优点，是一种保护环境的有效措施。此外，干热岩供暖系统简便，对技术要求相对较低，可为今后利用干热岩发电打下基础。针对现阶段循环介质优化、热损失量大等问题，应加强新型循环介质及导热设备的研究。目前最提倡的是CO2超临界循环，优化介质的同时还能减少温室气体的含量。政府应加强微地震监测，规范开采行为，避免负面情况的发生。虽然干热岩供暖在技术上还存在一定问题，但总体来看，其环保、分布广、可再生等特点显著，干热岩供暖将会成为建筑物供暖的主要措施。

参考文献:

[1]许天福,张延军,曾昭发,等.增强型地热系统(干热岩)开发技术进展[J].科技导报，2012,30(32):42-45.

[2]郑克棪.2013-2014中国地热能产业发展报告[R].北京：中国能源研究会地热专业委员会，2014：3-20.

[3]杨方，李静，任雪姣.中国干热岩勘查开发现状[J].地热能，2013(1):17-19.

[4]陈梓慧,郑克棪,姜建军.试论我国干热岩地热资源开发战略[J]. 水文地质工程地质，2015，42(3)：161-166.

[5]汪集旸,胡圣标,庞忠和.中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J].科技导报，2012,30(32):25-31.

[6]冯晓燕.沈阳地区利用干热岩资源供暖技术研究[D].沈阳:沈阳建筑大学，2012.

[7]刘晓慧.干热岩开发利用还要走较长的路[N].中国矿业报，2014-09-25(A6).

[8]张亮，裴晶晶，任韶然.超临界CO2在干热岩中的采热能力及系统能量利用效率的研究[J].可再生能源，2014，32(1)：114-119.

[9]Brown D W. A Hot Dry Rock Geothermal Energy Concept Utilizing Supercritical CO2Instead of Water[C]//Proceedings of the Twenty-fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford：Stanford University，2000：233-238.

[10]Pruess K. Enhanced Geothermal Systems(EGS)Using CO2as Working Fluid-a Novel Approach for Generating Renewable Energy with Simultaneous Sequestration of Carbon [J]. Geothermics，2006，35(4)：351-367.

[11]Xu T F，Pruess K，Apps J. Numerical Studies of Fluid-rock Interactions in Enhanced Geothermal Systems(EGS)with CO2as Working Fluid[C]//Proceedings of the Thirty-third Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford：Stanford University，2008:1-8.

(责任编辑：陆俊杰)

The Analysis of Hot Dry Rock Technology Application in Buildings Heating

QIAO Jing1， ZHANG Chao1， QIN Zhi-gang2， CAO Li-feng2， ZHANG Ya-wei1

(1. Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007;2.Zhengzhou Wode Air Conditioning Co.,Ltd., Zhengzhou 450000, China)

Abstract:This paper from three aspects of HDR technology application in building heating analyzes its characteristics and the significance in building heating,the basic model and research status of application,the advantage and existing problems of application,and puts forward corresponding suggestions.

Key words:HDR technology; geothermal resources; buildings heating

中图分类号：TU833

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.015

文章编号：1671-6906(2016)01-0062-04

作者简介：乔婧(1992-)，女，河南三门峡人，硕士生，主要研究方向为制冷空调节能新技术。

收稿日期：2015-08-31