中深层地热能供暖应用实例

许西波

（恒大地产集团西安有限公司，陕西西安 710021）

0 引言

中深层地热能是相对于浅层地热能，指的是温度高于25℃，集“热、矿、水”为一体的自然资源。中深层地热能是一种可再生清洁能源，优点是热流密度大，流量、温度等热物性参数稳定。据初步估计，在地下1000~10000m 范围内，我国地热能储存的热量相当于51.6 万亿吨标准煤，是我国2016 年能源消耗总量的11835 倍。中深层地热能的利用，现在主要来源于地下存储的丰富充足高温地下水。本文通过西安某项目中深层地热能梯级利用供暖设计，研究中深层地热能的使用方法，就如何实现高效利用、合理设计等问题展开分析。

1 中深层地热能现状及主要开发技术

伴随着我国建筑行业的飞速发展，传统燃煤能源供暖消费量持续增加，已超过全国能源年消费总量的10%以上。利用地热系统采暖，全面替代矿物质燃料实现无燃烧供热，提高能源利用率并改善环境，减少燃烧废气排放，应给予地热能采暖予重点支持。

中深层地热资源可采取中深层地热回灌（水热型）和无干扰地热取热“取热不取水”的开发模式，无干扰取热方法目前也列为干热岩提热的主要开采方式。国内干热岩的开发目前主要集中在热值高的区域，目前技术比较薄弱。采用中深层无干扰取热方法是将地热换热盘管布置在井中，采用特殊的设备将热量从地层中提取出来。此开采方式目前在西安市场初步应用，由于材料等研究较为昂贵，仍处于起步阶段。中深层回灌（水热型）在目前地热开发中运用最广，其技术采取的是钻对井取热循环，采热量主要受到对接井地热流体管流速度的影响，此方法在西咸区域也取得了很高的应用，部分井回灌率达到100%，对于绿色能源开发有广泛的推广价值，地热开发的目标是在提取地下热量的同时，保证生态环境以及地层水资源的平衡。

2 工程项目概况

西安某项目位于西安市雁塔浐灞，总建筑面积为356880.69m2，地上建筑面积为237966.03m2。项目分南北地块，北地块地上面积为55597m2；南地块地上面积为182369.01m2。建筑类型主要为多层别墅与高层，建筑最高33 层。系统分为高低两个区，1~15 层为低区，15 层以上为高区，采暖末端为低温地板辐射采暖形式。

3 方案设计

3.1 设计原则

（1）采用取热不取水技术，将地热水回灌，保证了可持续开发，采用跨层混采，两采两灌，同层回灌。

（2）避免与邻近已成地热井不发生干扰。

3.2 基本数据

（1）井位位置：小区中心园林区域非地库范围。

（2）按照“一采一灌”模式设计生产井2 口，回灌井2 口。设计井深3150m，取水层段1650~3150m，取水层位为高陵群、白鹿塬组及红河组热储。

3.3 地热换热站设计

本项目换热机房采用板换+热泵机组组合换热，通过深井潜水泵从地热井提取地热水，经过地热管线送至一级直供换热器，通过一级换热器进行热交换，温度降低后的地热水送至二级换热器进行二次换热，给热泵机组提供热源。经过二级换热器热交换后的地热水经由管线送至回灌井回灌；同时经一级换热器换热和热泵机组制热后提取热量、温度升高的供热循环水，经管线送至热用户侧利用，降温后的热水由管线输送至一级换热器和热泵机组冷凝器侧进行换热，如此进行循环，见图1。

图1 地热能采暖循环原理

本次主要依据与拟建地热井位相邻或取用热储相同之地热水井井口水温资料，反求出平均地温梯度，作为衡量地温场依据，地热水井的平均值3.2℃/100m。依据以上计算成果，结合区域地热地质资料，预测本小区地热水井设计降深60m 时，出水量为60m3/h 左右。本方案只为项目住宅部分提供采暖热源，末端系统供回水温度50℃/40℃，计划在小区内钻凿四口地热井（两采两灌），预计水温为80℃，水量60m3/h。

北区换热站：由于北区换热站仅140m2，换热方式只能采取地热水通过板式换热为建筑提供热源。北区建筑需求热负荷为2223.88kW，地热水通过板式换热器水温利用至42℃，需求地热水量为50m3/h，一口地热井尚富裕10m3/h 地热水。

南区换热站：南区建筑需求热负荷为7413.3kW，换热方式采取地热水+热泵为建筑提供热源。北区剩余10m3/h 地热水+另一口生产共计70m3/h 地热水，地热水通过板式换热器水温利用至42℃，可提取热量：G 井=3093kW

两口地热井尾水120m3/h、42℃通过热泵降温至10℃，热泵COP 按4.5，忽略设备间传热损失，大约能获得热量：

地热水+热泵可提供热负荷7937kW，可满足南区建筑采暖需求。

计划敷设一次侧管网（即地热水管网）DN200 管线300m（双管），DN125 管线800m（双管）。地热管网选择优质石油管，外包聚氨酯发泡保温施工，采用无补偿直埋敷设方式与室内架空敷设方式施工。

4 地热能供热问题分析

4.1 地热勘查程度低，钻井风险大

除了在某些地区目前资源勘探相对成熟，在国内大部分地区勘探和开发资源不足，钻井故障率高，开发和部署不合理科学，造成很大的损失。

4.2 初投资高，周期长

通常情况，开发某地块的地热能，需要先进行地热资源勘查，勘查工作投入大、任务较重，对于企业员工经济负担较重。目前仍然在使用的石油和天然气井钻井技术的投资较高，导致初始投资高。由于各种供热方式执行相同的市政供热价格，而地热供热前期投资较之于集中供热前期投资高，加之，中深层地热能采暖工程项目全面建成后，全部入驻和满负荷供暖系统需要经过一个较长时间，导致公司成本回收期变相延长，使供热企业管理资金压力进一步增加。

4.3 动态监测、可持续评价差

在部分地区地热开发过程中，地热井的流量、温度、液位等发生变化，存在一定的下降趋势，造成项目原有设计管理系统不能适应其变化，达不到最佳的设计使用效果。分析原因是地热能开发初期缺少科学的地热资源开发评价，工程开发过程中缺少动态监测。

5 地热能供热建议

5.1 加大地热勘查力度

提高地热勘查覆盖，降低地热开采风险，地热资源勘查成本高，企业本身实力相对薄弱，建议国家或者地方政府对全国或区域地热资源进行勘查摸底，建立数据资料库，为后续地热资源的开发利用提供科学依据。

5.2 提高技术创新水平

地热能采暖初期投资大，加热系统以及换热设备技术较保守，缺乏一套完整的设备和材料。要加强技术改造以及研发，从地热采暖兼容设备过程中的各个环节，建立相应标准，降低企业建设成本，提高地热利用效率。

5.3 加强地热开发动态监测与反馈

地热资源的开发和利用是一个动态的过程，需要进行项目前期的初步资源评价，同时进行动态监控。因此我们应该及时了解纠正资源开发的合理性初步评价的动态变化，及时进行总结，提出了合理的建议，为指导后续发展。

6 结论

地热能是一种绿色可再生的能源，与煤炭和天然气等传统能源相比，贮量巨大、具有环保可再生等优势。通过本项目中深层地热能供暖应用实例的采暖设计，直观发现地热的利用潜力以及采暖优势，梯级利用能够更加高效的利用地热能，可以最大限度利用地热水温差能量。以“取热不取水”的原则，将地热回水进行回灌，达到可持续开发的效果。合理地开发和利用地热资源，有助于缓解能源供需矛盾，提高节能减排效果，有助于建设资源节约型和环境友好型的和谐社会。