基于同层回灌的中深层地热能清洁供暖系统设计

胡文全，曹庆皎，张昌建，2，罗景辉，2，刘小溪

（1.河北工程大学，河北 邯郸 056000；2.河北省暖通空调创新中心，河北 邯郸 056000）

受能源与环境双重压力影响，中深层地热利用技术研究日趋活跃，高效利用中深层地热是解决碳达峰、碳中和的有效途径之一[1]。

我国目前利用中深层地热有2种方法[2]。

（1）水热型地热换热技术。通过将地下水资源开采抽出，提取热量后回灌。具有单井取热量大、造价低的优点，但回灌困难、污染地下水环境。

（2）保水取热换热技术。利用外界循环液进入井下管道与岩土层换热，无需开采地下水资源，取热不取水。主要包括2种形式：U型对接井和同轴套管井。但换热量有限，工程造价高，施工难度大。

本文针对中深层地热能推广应用过程中存在的技术难题，提出的“同层回灌技术”，通过潜水泵和真空保温套管将取出的高温水经过换热后，送回同取水层，不对地下水造成影响，实质上是一种“取热不取水”的方式[3-4]；将取热与热泵技术相结合，实现热能梯级利用，构成完整的供暖系统[5]。

1 深井概况

地热井位于河北工程大学新校区，所属地热田为邯郸-磁县地热田，属于沉积盆地型地热田，地温梯度2.53℃/100 m，井深1 570 m，终孔在地层古近系；稳定水位36.82 m。根据水样水质全分析资料，本井热储含水层水化学类型HCO3·Cl-K·Na，溶解性总固体866.00 mg/L，pH值8.22，总硬度38.04 mg/L，属弱碱性软水。

1.1 钻孔结构示意图

如图1所示，钻井分为三开：

图1 钻孔结构示意图

一开0～94.2 m井段：螺旋套管φ377×8 mm，套管入井深度94.2 m，高出地面长度2.2 m。

二开94.2～951.74 m井段：石油套管φ273×8.89 mm，套管入井深度78.45～951.74 m。

三开951.74～1 570 m井段：石油套管（花管）φ177.8×8.05 mm，套管入井深度935.11～1 570 m。1 206～1 521 m设置12 m滤水管8根。

1.2 钻井温度变化图

该井测井的最终深度为1 552.40 m。测得井深1 552 m的井温为61.6℃。水温T（℃）与钻井深度L（m）的变化关系如图2所示，二者可拟合为多项式公式：

图2 钻井深度与水温关系图

T=0.0601L3-8.5152L2+430.06L-6573.5。

1.3 热储含水层抽水试验

对热储含水层进行正式抽水试验，获得最大降深62.51 m时，涌水量63.648 m3/h，抽水试验结束后进行了水位恢复观测，见表1。根据测井资料和抽水试验数据，划分14个含水层，单层厚度为1.45～7.40 m，累计含水层（中细砂岩）总厚度43 m。抽水试验最大涌水量1 527.55 m3/d，井口出水最大温度为48.5℃。

表1 热储含水层抽水试验观测

2 中深层地热能清洁供暖系统的设计

2.1 供暖系统原理

通过井下120 m处潜水泵，将45℃热水抽出，输送至清洁供暖系统一级板换换热，水温下降至35℃，提取出的热量：Q1=（45-35）×20×1.163=232.6 kW直接供给热用户。

35℃低温热水进入二级板换换热，水温下降至8℃，提取出热量：Q2'=（35-8）×20×1.163=628 kW，经热泵机组（选型见2.3.3，cop=3.72）提升能级后，获得热量Q2=Q2'÷（3.72-1）×3.72=858.9 kW，热泵机组电功率为230.9 kW。

8℃冷水通过石油真空保温管道输送至井下1 300 m处，通过花管回灌至井下1 300～1 500 m处，实现同层（馆陶组热储层）回灌。

2.2 清洁供暖系统原理

清洁供暖系统的组成主要由潜水泵、管道管网、一级、二级板式换热器、水源热泵、回灌压力泵及热用户组成。系统工艺流程图如图3所示。

图3 系统工艺流程图

2.3 系统参数设计

2.3.1 负荷设计

河北工程大学现需要采暖的建筑面积为19 700 m2，建筑负荷985 kW，热量损失8%，需要热量1 063.8 kW。

2.3.2 系统阻力

（1）管网阻力计算

井下抽水流量L=20 m3/h，由公式（1）可计算各管道沿程阻力。

其中井下抽水管道DN80管道，v1=1.1 m/s，λ1=0.24，l1=120 m；

井上供回水管道DN100管道，v2=0.63 m/s，λ2=0.18，l2=400 m；

井下非保温回灌管道DN80管道，v3=1.1 m/s，λ3=0.24，l3=200 m；

井下回灌石油保温套管DN100管道，v4=0.63 m/s，λ4=0.18，l4=1 100 m。

水力计算得：P1=2.3 mH2O，P2=1.8 mH2O，P3=3.8 mH2O，P4=5.0 mH2O；合计12.9 mH2O。

附加50%局部阻力，6.5 mH2O。

（2）抽水扬程及设备阻力

抽水高度120 m、板式换热器两台合计10 m H2O。

合计阻力149.4 m，循环水泵选用200QJ20-200，流量20 m3/h，扬程200 m，电机功率22 kW；额外设置流量20 m3/h，扬程80 m，电机功率11 kW的变频水泵CDL-32-60用于克服井下涌水压力实现回灌。

2.3.3 水源热泵选型计算

总热负荷需求为1 063.8 kW，其中一级板换直接供热提供232.6 kW，需依靠热泵提供831.2 kW热量。选用约克YEWS260HA50E-HP2型水源热泵，当前工况下电功率230.9 kW。

二级板换热水侧进出口温度为35/8℃，取蒸发器进出口水温15/5℃，流量54 m3/h。

2.3.4 板式换热器选型计算[6]

一级板换基本参数见表2。

表2 一级板换基本参数表

Δ大=Δ小，用平均温差代替对数平均温差，平均温差Δtm=5℃。

由公式（2）估算传热面积：10 m2

其中：K'为经济换热系数，水-水换热器取值2 900～4 650 W／（m2·k）。

选BR0.6M型换热器，有效换热面积f=0.6 m2，流道截面积S=2.132×10-3m2，当量直径d1=d2=7.6 mm。

换热器流速取W1=W2=0.35 m/s。

由公式（3）计算雷诺数：Re1=3 548，Re2=3 219.7。

由公式（4）计算努谢尔特数：Nu1=111.7，Nu2=125.9。

由公式（5）计算换热系数：α1=117.8，α2=130.9。

由公式（6）计算传热系数：K=4 228.9 W/m2·℃。

板换热阻RP为45×10-5m2·℃/W，水垢热阻Rf为1.16×10-6m2·℃/W。

由公式（7）计算理论换热面积：Fm=11 m2。

由公式（8）计算单程流道数：n1=n2=8。

由公式（9）计算流程数：N1=N2=1.2。

故取n=10，N=1。

由公式（10）计算实际换热面积：F=11.4 m2。

最终选用BR0.6MH型换热器，板片数21，换热面积11.4/12.6 m2（计算/装机）。

二级板换同理，得出n=13，N=2，F=30.6 m2。

最终选用BR0.6型换热器，板片数53，换热面积30.6/31.8 m2（计算/装机）。

2.4 其他设备选型

（1）一级供热泵：80KQL50-32-7.5/2，流量50 m3/h、扬程32 m，电机功率7.5 kW。

（2）内循环泵：100KQL80-24-7.5/2，流量80 m3/h、扬程24 m，电机功率7.5 kW。

（3）二级供热泵：100KQL100-32-15/2，流量100 m3/h、扬程32 m，电机功率15 kW。

总电功率293.9 kW，其中热泵功率230.9 kW，水泵功率63 kW。

3 清洁供暖系统的经济性分析

本系统已在河北工程大学建造并投入运行，供暖面积19 700 m2，运行状况良好，达到了良好的经济效益。

3.1 本系统运行费用

运行天数150 d，电费单价0.6元。

热泵运行时间系数0.6，季节系数0.6，功率230.9 kW；水泵运行时间系数0.6，功率63 kW。

运行费用合计26.11万元。

3.2 集中供暖运行费用

采用集中供热，运行费用为6.4元（/m2·月），运行5个月，运行费用为63.04万元。

每年节约运行费用63.04-26.11=36.93万元。河北省内废弃地热井有几百口，若改造为本系统，将产生极高的经济效益。

4 结论

（1）设计了清洁供暖系统，系统制热量1 091.5 kW，系统COP4.72，实现了深层地热资源的高效利用，是解决碳达峰，碳中和的有效途径。

（2）首次采用了同层回灌技术，为解决深层取水导致的环境污染问题提供了新的途径。

（3）建成了示范项目，解决了河北工程大学19 700 m2冬季供暖问题，取得了良好的经济效益。