基于中深层地埋管供热技术的工程实例分析

杨超，张鹏飞，贺云飞，王俞舒，段科锋

（西安沣东热力有限公司，陕西 西安 710086）

地热能是一种蕴藏在地球内部的清洁能源，主要来源于地球内部放射性元素衰变、地球熔融岩浆以及太阳能，其开发前景十分广阔，已成为21世纪能源发展中不可忽视的可再生能源之一。

我国中深层地热资源开发主要有地热水直接开采、采灌系统平衡和中深层地热地埋管换热等三种。地热水直接开采是过去传统的利用方式，目前已不提倡；采灌系统平衡是由开采井、地面换热设备和回灌井组成的闭式循环系统，实现地下热水采灌平衡，不同地区和层位回灌率不同，大部分地区现有技术条件下回灌率较低；近年来，中深层地热地埋管换热技术的研究应用，开创了一种全新利用模式，解决了以往地热开发利用中存在的问题，也掀起了新一轮地热资源开发利用的高潮。

1 中深层地热地埋管供热技术

1.1 技术原理

中深层地热地埋管现有同轴套管式和U型管式两种，本文介绍技术较为成熟，应用广泛的中深层地热同轴套管换热技术，该技术是以中深层地热能为热源，先通过钻机向地下2～3km深处高温热岩体钻地热井，在井内安装一种密闭的同轴套管换热器，利用换热介质在井内形成闭式循环将地热能“取热不取水”无干扰交换，经地热热泵机组温度提升后由用户侧循环水泵和输配管网为用户提供供热服务的新技术。中深层地热同轴套管供热系统由地热换热系统、地热热泵系统和室内供热系统三部分组成，原理如图1所示。

图1 中深层地热同轴套管供热技术原理示意图

1.2 技术特点

（1）适用性广。中深层地热能是一种分布广泛、持续稳定的可再生能源，该技术不受水文地质条件的制约，不需地热资源勘探，钻井位置选定比较灵活，施工场地及设备占地面积少。（2）绿色环保。不产生废气、废液和固体废弃物等任何排放，治污减霾成效显著。（3）保护水资源。该技术通过中深层密闭地埋管与高温岩体实现间接换热，与地下水隔离，不抽取地下水，不使用地下水。（4）高效节能。中深层地热能全年温度稳定，较浅层地热能温度高，单井换热量大，可解决约1.3万～1.5万m2建筑供暖，供热系统效率高。（5）安全可靠。中深层地热井井径小（200mm），深度在2～3km，对建筑本身及地基无任何影响，地下无运动部件，无化学反应，系统稳定，无安全隐患，可靠性高。（6）系统寿命长。中深层地埋管外管采用J55钢级套管，耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑寿命相当。（7）无冷热平衡问题。该技术以2～3km中深层地热能为热源，具有持续稳定性，不需要考虑冬、夏季的冷热平衡问题。（8）经济效益低。初期投资大，投资回收期长，利润率低。（9）资源利用率低。由于中深层地热能温度高，只能作为热源用于冬季供热，夏季制冷需另加冷却塔等制冷设备，造成非供暖季地热井闲置。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

该工程项目位于西安市西咸新区镐五路，总建筑面积132438.30m2，供暖面积93385m2，设计了6口中深层地热源井作为热源，井型为直井，井深2500m，井间距15m，热交换站采用2台制热量1600kW地热热泵机组，最大供热能力3370 kW，设计供回水温度50/40℃，设计压力1.0MPa，末端采用地板辐射供暖方式，主要设备技术参数见表1。

表1 无干扰地热供热系统主要设备表

2.2 应用分析

2020年12月10日～12月31日进行为期22天试运行，开启2台热泵机组，用户热负荷70%。

（1）热泵机组和用户侧循环水泵开启前（用户热负荷为0），热源侧循环介质静止（超过3个月），地热井井口温度48℃，热源侧循环水泵开启后，地热井井口出水温度最高稳定到55.8℃。

（2）热泵机组和用户侧循环水泵开启，用户热负荷逐渐增加，热负荷增至70%后持续运行10天。用户侧供水温度平均39.8℃，用户侧供回水温差平均7.4℃，室内平均温度21.5℃左右，满足GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相关规定；热源侧供水温度平均36.8℃，进机组前混水降温至27℃左右，供回水温差平均值为6.4℃，如图2所示(第6日热负荷增加至70%以上后稳态运行)。热源侧供水温度较高且波动变化较小，高于机组安全运行温度上限，为保证热泵机组高效运行，进机组前进行了混水降温。

图2 热源侧进出水温度

（3）试运行后期，负荷逐渐降低，热源侧温度逐渐回升至初期运行时40℃以上，试运行结束10天后，地热井井口温度回升至48℃，达到未运行前温度水平。

（4）供暖季初期，热源侧进水温度较高，可达50℃以上，随着热负荷增大，热源侧进水温度逐渐降低至31℃左右，系统趋于稳态运行，高于同类项目8℃左右，效果较好。

（5）测试期间，系统制热量为1716kW，单井平均取热功率约为253kW，延米换热功率约为101W/m，单井平均循环流量约为21m3/h。

（6）测试期间，室外平均温度为-3℃，室内平均温度为23.4℃，地热热泵机组平均COP为6.49，系统平均COP为5.20。

（7）循环水泵耗电量占系统总耗电量的比例为19.8%，热泵机组耗电量占系统总耗电量的比例为80.2%。

3 结语

（1）中深层地热地埋管供热系统热源侧取热量稳定，出水温度较高，延米换热功率约为101W/m。（2）热源侧进水温度为31～48℃，热泵机组COP达到6以上，在供暖初期及末期热源侧进水温度较高时节能效果更加明显。（3）本次测试单井平均取热量与数值模拟计算给出的地埋管换热量评估值较为一致。（4）本次测试单井平均循环流量约为21m3/h，处于给出的经济运行流量范围内，水泵输配能耗占系统总能耗比例小于20%。（5）中深层地热地埋管供热系统虽然在供暖初期由于连续取热，热源侧温度有所下降，但是，可持续保持稳定供热量且热源维持在较高品位，高于机组安全运行温度上限，为保证热泵机组高效运行，进机组前进行了混水降温。（6）本项目试运行显示出良好的运行能效，初投资也在可控范围内，因此，在一定条件下，中深层地埋管技术具有良好的推广前景。（7）按照一个采暖季入住率70%计算，该项目预计运行成本为1.97元/平方米·月。