“地热能+”在工程实践中的综合梯级应用

姜曙，刘芳芳，刘媛媛，陈启召，连丽，任梦楠

（1.河南工程学院，郑州 464211；2.国网河南省电力公司技能培训中心，郑州 450051；3.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046；4.中国电建集团河南工程有限公司，郑州 450051）

0 引言

随着我国经济水平的不断提高和供暖/供冷区域的不断增大［1］，化石能源的消耗量越来越大，能源供应日趋紧张，能源消耗带来的环境问题也越来越明显。2020年我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”［2-4］。面对能源和环境的双重压力，亟须大力发展清洁能源。地热能具有储量大、受天气变化影响小、稳定性好的特点，应用前景十分广阔［5-7］。

我国地热资源储量丰富，约占全球地热资源的1/6，且以150 ℃以下的中低温地热为主［8］。2015 年我国地热能年利用总量约为6.0×105TJ［9］，蒸汽型、水热型和干热岩型地热是目前利用的主要对象［10］。近10 年来，我国以水热型地热为主要开发对象，其直接利用量的年均增长速度高达10%［11］，截至2019年年底，我国地热能直接利用的装机容量为40.6 GW，位居世界第一［12］。研究表明，2050 年地热资源将可为全球提供3.9%的能量，并降低800 Mt的CO2排放量［13-15］。地热供暖是充分发挥中低温地热资源品位优势的利用方式［16］。罗佐县等［17］对中国地热产业发展空间进行了分析，指出我国浅层地热能利用占比居首，为52%；其次是水热型地热供暖，占比为27%；再次是温泉利用，占比18%；其余利用方式占比3%。近期应聚焦高温发电技术，中长期应聚焦中低温和干热岩发电，坚持梯级利用路线，发展“温泉+地热直接利用”模式。李健等［6］对地热发电技术及其影响因素进行了研究，指出我国的地热资源是以150 ℃以下的中低温地热为主，有机朗肯循环（ORC）和卡林那循环在地热发电领域有更大的发展空间。薛颀［18］对浅层地热能高效换热技术进行了研究，指出高效能源井的取热量及释热量远高于U 型地埋管，可大幅减少工程中的换热井数量和占地面积。王贵玲等［19］针对我国不同地区地热特点，给出了适用的地热供能模式。王文中等［20］对我国浅层和中深层地热能的利用进行了研究，指出未来浅层地热能的研究、开发及利用应主要集中在地下换热方式、提升换热效率和减小占地空间面积等方面；中深层地热开发利用研究应集中在勘查开发、尾水回灌、地热发电及管理利用、干热岩等方向。

近些年，我国地热直接利用多应用于制冷、供暖、养殖、干燥、旅游等领域：其中，地热发电占0.50%，供热采暖占32.70%，医疗洗浴与娱乐健身占32.32%，养殖占2.55%，种植占17.93%，工业利用占0.44%，其他占13.56%［21-24］。但关于地热梯级利用的研究相对较少，对于地热与其他可再生能源耦合的研究也不多见［25-26］。本文将某景区地热水与太阳能光热、光伏发电进行耦合，将地热水用于发电或取暖这种单一、粗放的应用模式向梯级利用、集成应用方向发展，开拓了地热能在工程中的应用范围，在工程中实践了“地热能+”的综合梯级应用。

1 资源分析

1.1 区域地热资源概况

该景区地热田属于Ⅱ-2 型，热储温度平均值为138.8 ℃。热矿水的矿区范围为东经109°39′15″～109°40′10″，北纬18°41′56″～18°42′34″。20 世纪70年代，曾施工钻地热井孔12 眼，目前仅存钻孔5 个，自流泉4 个，热矿水水温介于66～95 ℃，开采量合计为3 031 m3/d。热矿水属于碳酸氢钠型水，对钢构件具有弱腐蚀性，对铝构件具有强腐蚀性，矿化度低，水质好。目前该景区可利用地热井（温泉眼）的资源情况见表1。

表1 景区自流泉的资源情况Table 1 Situation of artesian springs in the scenic spot

1.2 地热能梯级利用

以最大程度地提高地下热水的有效温差为原则，考虑地热利用方式对温度的要求以及当地的客观需求，将本次工程的地热梯级利用流程依次设计为地热发电、地热制冷、地热干燥、地热洗浴，地热梯级利用为串联关系如图1所示。

1.3 地热资源分析

1.3.1 确定可利用地热水

按照上级主管部门“不新增抽水泵，不打新井”的要求，只对目前自流部分的地热水进行开发利用。该景区4口自流井的地热水全部流入地热水汇集站统一使用。

根据表1，可利用的地热水总流量=590+578+187+264=1 619（m3/d），可利用地热水的平均温度=92×（590/1 619）+95×（578/1 619）+90×（187/1 619）+95×（264/1 619）≈93（℃）。

1.3.2 计算热损失

单根直埋管道单位长度的热损失为

式中：t为供热介质温度，℃；tt为管道中心埋深处的土壤自然温度，取5 ℃；ΣR为管道总热阻，m·℃/W。

式中：Rb，Rt分别为保温层和土壤的热阻，m·℃/W；λb为保温材料的热导率，聚氨酯泡沫塑料热导率取0.033 W/（m·℃）；λt为土壤的热导率，湿土热导率取2 W/（m·℃））；h为管沟中心的埋设深度，本文取2 m；Dw为保温层外径，m；D0为管道外径，m。

以钻井ZK4 为例（264 m3/d），计算经过100 m 的DN100 带保温材料的管道，温降约为0.131 ℃。考虑管道温降，到达地热水汇集站时，地热水温度约为87 ℃。由于该温度较低，地热发电机组选型压力大，国产机组无法满足项目需要，需利用太阳能光热系统对地热水进行二次加热，来提升地热发电的热水温度。

1.4 景区太阳能资源概况

该景区地处我国华南地区，属热带季风气候：年平均气温为22～27 ℃，≥10℃的积温为8 200 ℃，最冷的一月份温度仍达17～24 ℃；太阳能年总辐射量为1 625～1 855 kW·h/m²，年光照时长达为1 750～2 650 h，光照率为50%～60%，光温充足，光合潜力高。

1.4.1 景区太阳能资源

（1）辐射分析。项目地点太阳能辐射数据及逐月气温暂采用PVsyst7.2 软件中Meteonorm8.0 数据（1991—2000年均值，见表2），选取场址中心坐标东经109°41′，北纬18°40′，海拔899 m。

表2 Meteonorm8.0 水平面数据Table 2 Meteonorm8.0 horizontal data statistics tablet

（2）软件模拟数据分析。本项目光伏组件布置于厂区水池、泵房、车棚顶面，光伏倾角选13°～20°为宜，按最佳倾角15°设计，方位角0°。

1.4.2 太阳能资源评价

（1）本文根据QX/T 89—2008《太阳能资源评估方法》中的太阳总辐射的年总量为评价指标，将太阳能资源划分为4个等级：最丰富、很丰富、丰富、一般，详细划分标准见表3。

表3 中国太阳能资源评估标准划分Table 3 Classification of China's solar energy resource assessment standards

查询Meteonorm8.0，项目所在地的太阳总辐射为6 140 MJ/（m2·a），根据表3，该等级属于B 级“很丰富”。

（2）资源稳定度为日总量最低值与最高值的比值（本项目资源稳定度为0.659）。根据我国太阳能资源稳定度的等级划分（见表4），项目所在地的太阳能资源稳定度属于A级，“很稳定”。

表4 中国太阳能资源稳定度等级划分Table 4 Classification of solar resource stabilityin China

（2）直射比是衡量一个地方水平面上太阳直接辐射占总辐射的比值。根据计算，项目所在区域近年的平均直射比为0.46，等级为C，即散射辐射较多（见表5）。

表5 中国太阳能直射比等级划分Table 5 Grading of direct radiation ratio in China

1.4.3 光伏组件选型及安装

太阳能光伏发电最核心的器件是太阳能电池，商用太阳能电池的主要类型为：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。

单晶硅、多晶硅太阳能电池由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。非晶硅薄膜太阳能电池稳定性较差、光电转化效率相对较低、使用寿命相对较短，但由于其拥有良好的弱光发电能力和温度特性，在一定程度上可减少电网的波动。综合分析，本工程推荐选用单面单晶硅半片太阳能电池组件。截至目前，该类型组件市场上主流功率集中在530～545 Wp，本工程推荐采用540 Wp半片组件进行设计。

太阳能电池阵列布置必须考虑前后排遮挡问题，一般的确定原则是：冬至日当天09：00—15：00保证阵列不会有阴影遮挡。

综上所述，该景区地热资源和太阳能资源丰富，通过地热资源的梯级利用，可满足各种用能需求。酒店旁边有空地，具备安装太阳能的条件，通过太阳能光热可以提高温泉水温，满足国产地热发电机组要求，通过太阳能光伏可以实现热泵等设备近零碳供电。

2 理论计算

式中：Qin，Qout为换热设备流入与流出的热量；W为ORC 系统发电功率；qm为地热水质量流量；c为水的比热容；Δt为地热水进出口温差；EER为吸收式热泵制冷性能系数；Qc为制冷量；Qh为吸收式制冷机消耗的热量；Qe，QS为地热资源的有效利用热量和供热量；QL为整个系统损失的热量；Qw为ORC 系统输入的热量；ηg，ηe为发电设备和换热设备的工作效率；ηc为整个系统的综合能源利用效率。

3 梯级利用方案设计

3.1 “地热能+”梯级利用系统

本项目可用于发电的地热水温度为80～90 ℃，温度低、流量低、单机装机小，地热发电机组选型压力大，国产机组无法满足项目需要。利用太阳能光热对地热水进行二次加热，提升了地热发电的热水温度，增加了ORC 中低温发电机组发电的稳定性和发电效率。

能源站屋面结构布置如图2 所示，冷负荷指标取100 W/m2，制冷功率取整275 kW。

图2 “地热能+”梯级利用系统Fig.2 "Geothermal energy+"cascade utilization system

将地热水温度提高约5 ℃，需要的热负荷=1 619/24/3.6×4.2×5≈393.5（kW）。选用槽式太阳能低倍聚光器，单组聚光器占地面积约20 m2，聚光效率75%，太阳能辐射量9 kW/m2，则需要28组槽式太阳能低倍聚光器，占地面积约560 m2。项目方案最终采用60 kW 中低温ORC 螺杆膨胀发电机组（国产）+275 kW制冷机组+600 kW干燥机组+390 kW光热+41 kW光伏发电装置，实现地热能的梯级利用。

3.2 “地热能+”系统设计参数

根据图2的流程，设计项目ORC发电系统、两级制冷机组和地热干燥装置参数，见表6—8。

表6 ORC发电系统设计工况参数及计算结果Table 6 Designed and calculated parameters of the ORC power generation system

将参数代入式（1）—（8）计算可知，ηg=4.26%，EER=0.41，ηc=57.5%。

3.3 光伏系统

3.3.1 装机容量

本项目建设容量为86.9 kWp，交流侧装机66 kW。工程生产运行期为25年，首年发电量为126.1 MW·h，首年上网小时数为1 450；运行期间的年均发电量为117.2 MW·h，年均上网小时数为1 348。

3.3.2 接入系统

根据国家电网公司编制的《国家电网公司分布式光伏发电接入系统典型设计（2016 版）》（设计范围为10 kV 及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量小于6 MW 的分布式电接入系统方案设计）接入电压等级规定，对于单个并网点，接入的电压等级应按照安全性、灵活性、经济性的原则，根据分布式电源容量、导线载流量、上级变压器及线路可接纳能力、地区配电网情况综合比选后确定。

表7 地热两级制冷机组系统技术参数Table 7 Technical parameters of geothermal two-stage refrigeration unit system

表8 地热干燥装置（房）技术参数Table 8 Technical parameters of geothermal drying devices

分布式电源并网电压等级根据装机容量进行初步选择的参考标准见表9。

表9 分布式能源并网电压等级Table 9 Voltage level of grid-connected distributed energy

结合本工程用电现状，采用380/220 V接入现有低压配电系统方案。

3.3.3 光伏发电场主接线

泵站及水处理站直流侧均采用1 100 V系统，每16～18 块光伏组件串联为一个光伏组串，汇流后接至33 kW 组串式逆变器，共计2 台逆变器，选用交流380 V逆变器，接入站内低压系统。

4 结论

本文以所在地地热资源条件为基础，通过将地热能、光热及光伏发电在能源站中合理配置，形成“地热能+”的综合能源系统，实现地热能由单一、粗放应用向梯级、集成应用发展，提高了能源综合利用效率，实现了用能最优。

本次工程的地热能按照温度进行梯级利用，依次用于地热发电、地热制冷、地热干燥及地热洗浴中。

通过槽式太阳能低倍聚光器加热地热水，用于中低温ORC 螺杆膨胀发电机组发电；通过太阳能光伏发电，实现了热泵机组、水泵等设备的近零碳供电，最终实现了地热能的梯级利用。该项目符合国家节能减排、持续发展主题，可为其他工程提供经验。