碳中和下低温地热水资源利用技术研究

罗娜宁，申小龙，赵 真，任小庆，刘 林，王 伟

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710021；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021； 3.中石化绿源地热能开发有限公司，河北 雄县 071800)

冬季清洁取暖关系广大人民群众生活，是重大民心工程、民生工程。清洁取暖技术百花齐放，以节能技术发展带动能源结构改革的第4次能源革命已到来[1]。数据显示，北方地区清洁取暖取得了显著进展，改善了城乡居民居住环境和用能条件：至2019年底，北方地区清洁取暖面积为116亿m2，清洁取暖率达55%，比2016年增加51亿m2[2]。《“十三五”节能减排综合工作方案》明确要强化既有居住建筑节能改造，实施改造面积5亿m2。住建部联合发改委、财政部下发《关于做好2019年老旧小区改造工作的通知》指出，自2019年起将老旧小区改造纳入城镇保障性安居工程。经初步摸查，全国需改造的城镇老旧小区达17万个，预计投资4万亿元。针对既有建筑的节能改造，潜力巨大。北方地区既有建筑因年代较早，未考虑节能问题，存在单位面积采暖能耗高、热舒适度差等问题[3]。此外，原“燃煤锅炉+老式暖气片”的“小流量、大温差”的系统形式，与清洁能源改造中应用的热泵技术“小流量、大温差”的形式差异是一直困扰老旧小区推行“煤改清洁能源”进度的难题。

我国地热资源丰富，应用潜力巨大，是一种极具竞争力的可再生能源[4-5]，以资源量大、利用效率高、成本低廉和CO2近零排放为特征。因此，大力发展地热能，改善能源结构，是完成碳达峰与碳中和指标的必然要求。只要地热尾水回灌处理技术得当，从节能和经济角度来看，水热型地热能供热技术联合热泵技术是现阶段清洁能源供暖系统最优的解决方案之一[6]。而常规的热泵系统供/回水温度多为45 ℃/35 ℃，温差为7～10 ℃，但既有建筑采用的常规燃煤锅炉系统供暖供/回水温度为85 ℃/60 ℃，温差可达20～25 ℃。如何优化设计低温水热型地热联合热泵供暖系统，满足既有建筑供水温度高且供回水温差大的采暖诉求是关键。

本文以某县城老城区原有燃煤锅炉供暖的既有建筑群供暖系统改造为例，以保障老城区居民温暖过冬、减少大气污染为立足点，介绍选用区域内低温水热型地热资源作为清洁能源供暖系统热源方案的设计过程。系统根据当地自然资源和气候条件，以55～65 ℃的“低温供热”但持续恒温的供给方式满足既有建筑的采暖需求，为其他同类项目的设计提供参考。

1 项目概况

1.1 供热现状

宝鸡某县城老城区燃煤锅炉供暖覆盖老城区60多个住宅小区和20多个企事业单位等既有建筑区域，采暖面积为100万m2。既有建筑群为1983年以来建设的老旧居住、办公等建筑及现阶段在建节能建筑，末端为既有建筑的老旧暖气片和新建建筑的新式散热器及地暖混杂形式。采暖供回水管网末端设置了混水装置及二次换热系统。县城原有的燃煤供热站设计安装4台25 t燃煤锅炉，至2018年供暖面积约50万m2，开启2台燃煤锅炉，设计供/回水温度为85 ℃/60 ℃。原供热管道主管径700 mm，总长度21 km。经实地考察，老城区重新铺设管道难度较大，且原有的供热管道运行良好，近期老城区应充分利用原有的热力管网。

分布式能源系统的能效水平是由当地可再生能源的资源条件和热需求结构特征决定的[7]，查明资源的赋存情况非常关键。

1.2 低温水热型地热资源

根据该区域水文地质条件，结合地质勘探成果表明，区域热储类型为上部孔隙和下部裂隙、断裂复合型热储，区域地热资源丰富。地热井主要布设在BF1和BF2断裂上盘，热储层主要为中元古界官道口群(Pt2g)和新近系蓝田—灞河组(N2l+b)混合热储。井口水温及涌水量见表1、表2。

表1 县城主城区已成生产井基本参数统计Tab.1 Statistics on the basic parameters of the production wells in the main urban area of the county

表2 县城主城区已成生产井抽(放)水试验Tab.2 Main urban area of the county has become a production well for pumping (draining) water

根据已成地热井资料分析，井口地热水温度 46.5～51.0 ℃，流量 120～210 m3/h，属于低温地热资源[8]。考虑生产井运行衰减的生产特性，拟定本系统单井设计降深50 m，井口水温45 ℃，出水流量为130 m3/h。

1.3 既有建筑用热需求

民用建筑的采暖设计热负荷，包含围护结构的基本传热耗热量、地面的温差传热耗热量、加热通过门、窗缝隙渗入室内的冷风耗热量、加热外门开启时进入室内的冷风耗热量以及各项附加耗热量[9]。因此，室外气候条件、建筑保温程度、建筑的窗墙面积比、门窗密封程度等围护结构的热工特性以及建筑造型等诸多因素决定了采暖设计热负荷[3，10-13]。根据《民用建筑热工设计规范》，将我国划分为5个热工设计气候分区，该县属于寒冷地区，既有建筑群建设年代不一，建设时推行的建筑节能标准较低，围护结构采用的节能措施有限。且老城区既有建筑群每栋建筑物详细结构资料大多缺失，很难详细计算既有建筑群的总供暖热耗。

供热项目方案设计阶段，通常采用采暖综合热指标简易计算能源站供热负荷，其选用标准直接影响到热源大小的确定及热力管网设计的经济性。根据地区差异、城镇住宅、办公、学校、工厂等建筑类别和使用性质的不同以及建筑物围护结构特点，参照《城镇供热管网设计规范》(CJJ 34—2010)中所推荐的各类建筑的耗热指标，既有建筑群热负荷计算公式为：

(1)

式中，Qr为项目区域内既有建筑群采暖总负荷；qi为i类型建筑单位面积采暖热指标；Fi为区域内i类建筑的总面积；n为区域内建筑类型的总数。

结合北方地区城镇建筑冬季采暖需求的热量为60～140 kWh/(m2·a)或0.22～0.51 GJ[13]。此次清洁能源改造项目县城主城区既有建筑群采暖面积为100万m2，设计供热负荷为42 360 kW。

1.4 改造系统设计

1.4.1 热源配置

老旧小区建筑密度大，供热需求多，但建设用地局限且大都处在寸土寸金的地段，布设地热井障碍较大。拟定以中深层水热型地热为基础热源，地热井的布设与地下资源勘查密切结合，并考虑能源站、地热水管线的位置。该项目经钻探工程布置，设计4口抽采水地热井，并相应配置4口回灌井用于地热尾水回灌，以达到持续利用目的。地热井钻探深度为1 000～1 500 m，出水温度45 ℃，单井出水量130 m3/h，尾水回灌温度为10 ℃。

单井供热能力：

(2)

式中，Qj为单井供热能力；G为地热水流量；Cp为水的比热，4.18 kJ/(kg·℃)；Δt为地热供回水温差；ρ为水的密度，1 000 kg/m3。

计算得单井供热能力Qj=5 283 kW。

1.4.2 设计方案

地热源水采用4眼开采井及4眼回灌井，其热源侧供/回水温度为45 ℃/10 ℃。因既有建筑群末端为既有建筑的老旧暖气片和新建建筑的新式散热器及地暖混杂形式。因此，供暖供/回水温度首先应满足老旧暖气片的采暖需求。设计两级螺杆式热泵机组串联系统供/回水温度65 ℃/45 ℃及单级离心式热泵机组并联系统供/回水温度55 ℃/40 ℃供暖的系统思路，2套供暖系统均可满足既有建筑老旧散热器和新建建筑的双重采暖需求。系统循环水以直供形式进入各既有建筑散热器采暖末端，新建建筑小区设置二级热交换站，循环水换热至45 ℃/35 ℃后供新建的地板辐射用户使用。

(1)方案1：单级离心式热泵机组并联系统(图1)。并联系统设置的4套换热器热源侧同串联系统，板换二次侧与热泵蒸发器侧板供/回水温度为23 ℃/8 ℃。4套换热器可分别对应4台离心式热泵机组(蒸发器侧23 ℃/8 ℃，冷凝器侧55 ℃/40 ℃)。单眼地热井+单级离心式热泵并联系统提供热能为6 734 kW，离心热泵机组COP为4.67。因热源系统限制，蒸发器侧出水温度为8 ℃，同时系统设计的供水温度高，循环供/回水温差大，削弱了常规离心式热泵机组能效大的优势。

图1 单级离心式热泵机组并联系统示意Fig.1 Schematic diagram of parallel system of single-stage centrifugal heat pump units

单级热泵机组串联系统采用抽采地热水换热+高温离心式热泵机组并联+低氮冷凝锅炉调峰补热方式。其中，地热系统提供热量为26.93 MW，15.43 MW热能缺口则采用4台4.2 MW低氮冷凝燃气锅炉补热及调峰。

(2)方案2：两级螺杆式热泵机组串联系统(图2)。系统设置了4套换热器，板换二次侧与热泵蒸发器侧板供/回水温度为40 ℃/9 ℃。4套换热器可分别对应4台中温水源热泵机组(蒸发器侧22 ℃/9 ℃，冷凝器侧53.3 ℃/45 ℃)和4台高温水源热泵机组(蒸发器侧40 ℃/22 ℃，冷凝器侧65 ℃/53.3 ℃)。单眼地热井+二级螺杆式热泵串联系统提供热能为6 660 kW。其中，单台高温热泵机组制热量为3 870 kW，机组COP为4.83。中温热泵机组制热量为2 790 kW，机组COP为4.88。

图2 两级螺杆式热泵机组串联系统示意Fig.2 Two-stage screw heat pump unit series system schematic diagram

两级热泵机组串联系统采用抽采地热水换热+中温、高温螺杆式热泵机组串联+低氮冷凝锅炉调峰补热方式。其中地热系统提供热量为26.64 MW，15.72 MW热能缺口则采用4台4.2 MW低氮冷凝燃气锅炉补热及调峰。

2 设计优选

本文主要对单级离心式热泵机组并联系统和两级螺杆式热泵机组串联系统进行能耗分析和增量投资收益计算，以能效评价和增量投资收益率判别系统优劣。

2.1 地热系统能效评价

能耗分析只针对热泵系统及循环泵系统，包括热泵主机、热泵循环水泵以及系统循环泵(表3)，不包括锅炉系统，因为2套系统锅炉设备相同，不作论述。

表3 系统能耗分析对比Tab.3 System energy consumption analysis and comparison

根据表3数据，以现有热源工况特性及其产品参数，地热供热系统能效评价E可表示为：

(3)

式中，Q1为地热能直接利用供暖部分换热量，该项目地热原水温度过低，此处为0；Q2为地热能间接利用供暖部分换热量，串联系统为中温机组和高温机组制热量之和；P为系统电力装机容量，方案设计中为便于分析，仅考虑热泵机组及系统主循环泵和热泵循环泵的输入功率。

2.2 地热系统经济评价

2套地热热泵系统规模相同，且在技术上均可行，系统方案的确定还应该考虑经济因素。因循环系统采用原燃煤系统的二次管网，热源和自控系统均一致，此处仅对系统中配置的抽采回灌地热井和主要设备的初投资及运行费用进行计算比较(表4)。其中，为减少数据误差，设备运行以采暖季满负荷理论值计算，电价为0.498 3元/kWh，天然气价为2.3元/m3。

表4 地热系统热源方案经济比较Tab.4 Economic comparison of heat source schemes for geothermal system

行业基准投资收益率ic设定为8%，当R2-1≥Rc，则投资大的方案优，当R2-1

(4)

式中，R2-1为方案1和方案2的增量投资收益率；C1、C2分别为方案1和方案2的运行成本；I1、I2分别为方案1和方案2的投资成本。

3 结果与讨论

3.1 技术经济对比

根据表3及式(3)，该项目单级离心式热泵机组并联系统能效E1为4.22，两级螺杆式热泵机组串联系统能效E2为4.56，“大温差，小流量”的串联式系统的运行能效比“小流量，大温差”的并联式系统的运行能效高8.1%。根据表4及式(4)，单级离心式热泵机组并联系统方案和两级螺杆式热泵机组串联系统方案的增量投资收益率R2-1为22.6%，大于行业基准投资收益率8%，投资大的方案2具有良好的经济性。根据技术经济指标对比分析，系统采用能效比高、经济效益更好的两级螺杆式热泵机组串联系统形式。

3.2 冷凝燃气锅炉整合必要性分析

热量需求与固定电力或燃气量需求的比值越大，系统达到的综合能效值越大，这是因为在当前的技术条件下，利用电力、燃气等“高品位”资源制取“低品位”的热量能效较高[7]。燃气锅炉供暖从建设费用、热源利用效率、技术成熟度、运行及维护费用等供暖技术经济因素具有较好的综合评价[10]。整个采暖期充分利用地热资源，系统的采暖设计热负荷分为2部分，一部分为基本热负荷，由投资成本高但运行费用低的地热承担，另一部分为调峰热负荷[14]，由投资成本低但运行费用高昂且运行时间短的稳定性更好的热源设备承担。一般民用住宅入住率均较低，在初寒期及末寒期，供暖系统均是在低负荷状态下运行的。严寒期室外气温较低时，系统需热负荷大，但持续时间较短。

随着环保标准逐年提高，新的《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)实施后，还将继续推进燃气锅炉氮氧化物排放的治理工作。因此，清洁能源改造方案在环保和节能方面要有一定前瞻性。选用的高效冷凝模块锅炉热效率高达107%，实际热效率90%以上，排烟温度低于60 ℃，NOx小于30 mg/m3，满足国家最严环保排放要求。单台锅炉采用700 kW/1 050 kW四个模块精确配置组成，4个模块可互为备用。中央控制器根据供热需求适时调配各模块运行状态，最终保障采暖用户需求与锅炉运行曲线接近。

3.3 热泵系统细节优化

2组设计方案中，均从节能运行角度考虑设置了热泵旁通管来满足系统低负荷运行的需要，可通过切换V1、V2、V3及V4四组电动阀门改变系统运行模式。初次加热时开启电动阀门，仅以低成本的地热水换热以加热供暖循环系统，用户侧回水温度接近40 ℃时关闭。供暖正式运行时关闭旁通管上的V3及V4阀门，根据末端采暖需求再逐台启动中温、高温热泵机组调节循环系统供回水。

4 结论与建议

水热型地热能既是低碳环保的非化石能源，又是技术与经济可行性高的清洁能源。陕西省地热资源储量可观，尤其是该区域低温地热资源属于水量充沛的断层控水，是稳定可靠的本土能源。应将地热能作为基础能源，根据资源禀赋及用能需求合理规划能源配比，制定清洁高效的能源系统方案。

(1)既有建筑群末端复杂，冬季采暖热负荷大，系统根据当地自然资源和气候条件，采用低温水热型地热资源联合热泵技术作为清洁能源供暖系统，以55～65 ℃的“低温供热”但持续恒温的供给方式满足既有建筑的采暖需求。

(2)项目节能与系统的设计和运行管理细节有关，根据现有热源工况特性及产品参数，在额定工况下，对“大流量，小温差”的单级离心式热泵机组并联系统及“小流量，大温差”的两级螺杆式热泵机组串联系统进行能耗对比，并联式系统能效E1为4.22，串联式系统能效E2为4.56，串联式系统比并联式系统的能效高8.1%。如何进一步挖掘系统运行节能潜力，做好供热系统运行工作，减少能源消耗，是值得继续深入探讨的问题。

(3)采用增量投资收益率评价系统的经济性，方案1和方案2的增量投资收益率为22.6%，大于行业基准投资收益率8%，投资大的两级螺杆式热泵机组串联系统具有更好的经济性。

(4)低温水热型地热资源在既有建筑供暖应用中，应将科研与工程实际相结合，继续创新地热能开发利用模式，建设地热能高效开发利用示范区，进一步推进我国北方地区既有建筑节能改造供暖模式的转变。