干热岩供暖系统的设计与应用

孙雅琼

华建集团华东建筑设计研究院有限公司

0 引言

2020年9月22日，习近平在第七十五届联合国大会上首次提出中国“双碳”承诺。由此，减碳正式成为中国能源市场的重要目标。2020年12月，国务院新闻办公室发布《新时代中国能源发展白皮书》，表示中国坚持清洁低碳导向，把清洁低碳作为能源发展的主导方向，推动能源绿色生产和消费，加快提高清洁能源和非化石能源消费比重，大幅降低二氧化碳排放强度和污染物排放水平，加快能源绿色低碳转型［1］。2021年3月11日，十三次全国人大四次会议发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035远景目标纲要》［2］，提出单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%。落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标，制定2030年前碳排放达峰行动方案。完善能源消费总量和强度双控制度，重点控制化石能源消费。为支撑实现碳达峰、碳中和目标，地方政府纷纷积极响应，从各地陆续出台的政策来看，很多省市自治区都将实现“双碳”目标列为“十四五”期间的工作重点。发布政策鼓励风电、光伏等非化石能源的发展，以此减少碳排放。

但是，我国北方冬季采暖目前仍以燃煤电厂或区域燃煤锅炉房为主，煤炭燃烧不仅产生大量CO、CO2，不利于践行“双碳”目标，同时会产生大量SO2、NO2及粉尘等污染物，影响大气环境。因此，大力发展清洁的供暖热源成为迫在眉睫的时代命题。

1 干热岩供暖技术

1.1 技术简介

干热岩（Hot Dry Rock，简称HDR），也称热干岩，是一种绿色低碳、经济环保的可再生地热能源，其本质是一种埋深在1.5 km 及以上深度且温度高于150 ℃的高温岩体。干热岩热能的开采是通过钻机向地下一定深度的高温干热岩钻孔，在钻孔中安装密闭的金属换热器，将热能导出，向地面建筑物供热［3］。

干热岩系统根据单套系统井网数量可分为单井循环置换、双井循环置换两种不同的类型。单井循环置换的基本原理如图1所示，低温水输送至地下干热岩井中，加热后送出高温水，由换热器换出热量，该过程取热不取水，取出热能成为冬季采暖的热源。以2.5 km的干热岩井为例，干热岩的单井循环井孔结构如图2所示。井内设置DN200密闭的耐腐蚀、耐高温、耐高压金属换热器，换热套管含外管、内管。外管为热源低温回水，由地面向地下输送吸收干热岩热量，在换热器底部进入内管，形成热源供水，由地下输送至地面。钻孔分两次进行，一开钻进至501 m，下表套至500 m，二开钻进至2501 m，下套管换热器至2500 m。双井循环的基本原理如图3所示。整个循环在一定间距设定注入井和生产井两种类型用井，井间距形成人工热储层，在注入井注水后，水被加热后从生产井中开采出来，再经由换热器将热能换出，作为供热热源［4］。

图1 干热岩井供暖原理图

图2 干热岩单井结构示意图

图3 干热岩双井结构示意图

1.2 技术特点

干热岩作为清洁热能源，具有以下优点：

1）低碳环保。干热岩作为供暖热源使用时，其中的能量通过低温介质将其传导出来，该过程是传热过程，只提取地下热量，不抽采地下水、不污染地下水，不燃烧化石燃料，是一种零污染排放的清洁低碳能源。

2）安全稳定。干热岩被稳定的储存于地下深处，使用时开启系统即可，随取随用。与光伏、风能等其它清洁能源不同。不受太阳光照、风力大小等自然条件变化的制约，热能资源巨大，持续性良好。同时，由于无燃烧过程，使用过程更为安全可靠。

3）运行成本低。由于干热岩的热能是“免费”的，供暖系统运行时仅有水泵、热泵等较小的电耗。因此，干热岩供暖的运行费用低于传统的市政热源、区域锅炉房热源。

4）可循环利用。干热岩作为热源连续使用20-30年后，可能会使岩石温度降低到不便于继续使用。但是，干热岩井停止使用关闭后，地心的炽热岩浆会重新加热这些岩石。几十年后，这些干热岩会重新使用，实现周期性使用。

5）突破用地制约。干热岩的使用过程无燃烧过程、无废气、废液、废渣等污染物排放。因此，机房位置较传统的锅炉房，约束减少，不需要设置烟囱等污染物排放装置，减少了对建筑立面的影响。常用的单井干热岩井的换热器直径尺寸为DN200，直径较小，可以打在路边、绿化带等项目红线内的任何位置，对建筑地基无任何影响，地下无运动部件。换热孔地面盖上井盖，不占地、不影响建筑美观。

1.3 储藏情况

干热岩储量丰富。全球陆区干热岩资源量相当于4950 万亿tce，是全球所有石油、天然气和煤炭蕴藏能量的近30倍。中国大陆3～10 km深处干热岩资源量约合856 亿tce，占世界资源1/6 左右，干热岩的巨大存量，使其有望成为战略性接替资源。我国干热岩资源广泛分布于青藏高原、松辽盆地、渤海湾盆地、东南沿海等地。

从分布来看，青藏高原总资源量占中国大陆地区的20.5%，埋藏浅、温度高、分布范围广，资源潜力大；东南沿海和华北地区中生代岩浆活动区，分别占8.2%和8.6%；东北地区占5.2%；云南西部地区干热岩资源温度较高，但分布面积有限［5］。

2017年，青海共和盆地3705 m 深处钻获236 ℃的高温干热岩体。2019年，山东省日照市莒县、五莲县一带和威海市文登区发现干热岩的富存区，资源量折合标准煤总计超过187.79 亿t。2022年，“青海共和盆地干热岩勘查试采取得突破性进展”位列“2021年度地质调查十大进展”之首［6］。

但是，我国目前还处于干热岩靶区圈定和深井科学钻探阶段，虽然取得一定的突破和成果，但尚未开展干热岩成熟的大规模商业化开发［7］。

2 案例分析

2.1 项目背景

2018年，陕西省政府发布《陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战三年行动方案（2018年—2020年）（修订版）》，提出加快调整能源结构，构建清洁低碳高效能源体系。新增供暖全部使用天然气、电、可再生能源供暖，禁止新建燃煤集中供热站。同时陕西省内多个地区陆续积极推进清洁能源实际落，地运用的工作方案和管理办法。2021年，陕西省地质调查院牵头成立了陕西省地热协会，查明了陕西省内11 个市县区的地热能资源赋存地质条件和基本特征，查明关中盆地中深层地热资源总量相当于4610 亿tce，为该省内探明煤炭资源总量的3.34倍。

截至2022年2月，陕西省建成利用地热能供暖（制冷）项目576处，面积3445万m2，占全省城市集中供暖面积的9.8%。

政策的积极推进和地热资源的不断勘探使得诸多干热岩供暖技术在陕西省各个地区获得良好推广。本文将以陕西省西安市某地区的干热岩供暖项目为分析案例。

2.2 项目概况

本项目位于西安市，主要用途为综合办公楼，项目建筑面积6.6万m2。地上建筑面积为4.48万m2，地下建筑面积为2.12 万m2。建筑高度97.6 m，地上28层，地下3层。其中，1层至4层为配套商业，5层至28 层为办公，地下1 层为商业、后勤用房及车库，地下2层至地下3层为机电用房及车库。

2.3 项目能耗

项目的能耗采用模拟软件HDY-SMD V4.0 计算，气象数据源于GB50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节附录A。空调设计热负荷统计结果见表1。项目冬季热负荷需求的时段为11月5日至次年3月20日。由表1可知，项目的空调热负荷需求为2975 kW。

由图4 可知，即使在项目的最大热负荷需求所在的设计日的全天负荷变化较大，9:00-18:00 处于负荷需求高峰期，最大热负荷需求出现在10:00，但其余时段热负荷需求显著降低，均在最高峰热负荷需求的30%左右。

图4 设计日24 h热负荷变化

不同负荷段累积时间统计见图5。

图5 不同负荷段累积时间统计

2.4 项目设备配置表

本项目为一个建设公司独立承建，商业、办公均自持，为了节省投资成本，热源机房集中设置、便于集中管理且节省机房面积。项目冬季热源拟采用干热岩为空调热源，同时设置传统的燃气锅炉热源为参考方案。项目分析仅考虑机房一次侧的主要设备选型及布置。

表1 项目空调热负荷计算表

方案1（燃气锅炉方案）：空调热源采用3 台燃气锅炉。根据项目的不同建筑功能、高度，空调水系统分为三个支路，一路服务地下1 层到地上4 层的商业，一路服务地上5 层至16 层的办公地区，一路服务地上17 层至28 层的办公高区。每个水支路设置2 台板式换热器，一次侧供/回水温度为90 ℃/65 ℃，二次侧供/回水温度为60 ℃/45 ℃。见表2。

表2 方案1（燃气锅炉方案）主要热源设备配置

方案2（干热岩方案）：空调热源采用干热岩热能，根据勘探评估，项目在红线内设置2个2500 m干热岩换热单井。水系统支路划分同方案1（见表3）。

表3 方案2（干热岩）主要热源设备配置

2.5 综合分析

2.5.1 运维情况

方案1（燃气锅炉方案），空调热水由燃气锅炉产生，即开即用，运行简单，运维难度小。方案2（干热岩方案），本项目方案的系统见图6，设备及阀门启闭情况见表4。当用户侧负荷需求较低时，开启直供模式，阀门V3、V4 开启，阀门V5～V8 关闭，一次侧热水从热源换热器中直接换取60 ℃高温水，循环至用户侧换热器，将用户二次侧回水由40 ℃加热至50 ℃，一次侧热水冷却至50 ℃循环至热源换热器取热，实现“免费供热”。当直供无法满足用户侧负荷需求时，二次侧回收温度降低，温度传感器反馈信号给系统，开启热泵模式，阀门V3、V4 关闭，阀门V5～V8 开启，热泵机组开启，冷冻水回水30 ℃经热源换热器升温至36 ℃，循环至热泵机组蒸发器，热泵冷凝水回水50 ℃经由热泵机组加热升温至60 ℃，循环至用户换热器释热，加热用户侧二次回水，使其温度由40 ℃升温至50 ℃，供空调末端使用。方案2 运行时虽然存在模式切换，较方案1 略难，但是切换思路明确，运行模式较少，整体运维并不高。

表4 方案2干热岩供暖的控制表

图6 项目干热岩供暖原理图

2.5.2 经济性分析

能源费用：本项目的天然气价格为3.08元/m3，分时电价见表5。

表5 分时电价表

项目冬季集中供暖设备开启时间为11月5 日至次年3月20日。项目建筑业态为办公及商业，设定每天供暖时间为7:30 am-9:30 pm ，每日供暖14 h。经济综合分析见表6。

表6 经济综合分析表

干热岩方案的设备采购费用其实并不高，但是其钻井施工费用较高。在不考虑设备折现的前提下，静态回收期年限为7.94年。

2.5.3 节能分析

根据《综合能耗计算通则》GBT2589-2020［8］，本项目综合能耗计算公式见式（1），热源一次标煤年消耗量见表7。

式(1)中，E——综合能耗，kgce；

Ee——电消耗量，kWh；

e——煤 热 值，5000 kcal/kg, 即5.814 kWh/kg;

η——发电效率，用电为热电厂发电，火电厂发电效率取40%；

ke——电能的折标煤系数，取0.7143 kgce/kg，即0.1229 kgce/kWh；

Eg——天燃气消耗量，kWh；

kg'——天燃气的折标煤系数，取1.215 kgce/m3,即0.1215 kgce/kWh（天然气热值36 MJ/m3）。

将两方案的能耗都折算为一次标煤，由表7 可知，方案1（燃气锅炉）年运行消耗标煤45.52 万kgce，方案2（干热岩）年运行消耗标煤9.50 万kgce，采用干热岩节能效果显著，节能率达79%。

表7 热源一次标煤年消耗量

2.5.4 减碳分析

根据《 建筑碳排放计算标准》 GB/T51366-2019［9］，计算不同热源方案的运行阶段碳排放，见式（2）。

式(2)中，CE——CO2排放量，tCO2/TJ；

EL——煤CO2碳排放因子，100.6 tCO2/TJ；

η——发电效率，用电为热电厂发电，火电厂发电效率取40%；

EF——全年电耗量，TJ;

GL——天然气CO2碳排放因子，55.54 t CO2/TJ；

GF——全年天然气热耗量，TJ。较方案1 燃气锅炉为空调热源，采用干热岩CO2的减碳率为63%。天然气是清洁的化石能源，CO2排放量较传统的化石燃料少，但是采用干热岩为空调热源，可以在采用清洁化石能源天然气的基础上进一步减少CO2排放。

2.5.5 对比汇总

CO2排放量见表8。

表8 CO2排放量

项目综合分析见表9。

表9 综合分析

干热岩供暖系统较传统的燃气锅炉系统，机房面积需求增大40 m2，初投资费用增加749.2 万元，后续运行费用降低显著，每年综合运行维护费用减少92.47 万 元，每 年 一 次 能 源 减 少 消 耗36.02 万kgce，减少比例达79%，CO2排放量减少476.53 t，减少比例达63%。机房面积需求虽有增大，但是易于实现，初投资费用增幅巨大，经济性一般，CO2排放量降低幅度较大。从节能减碳角度考量，建议使用。

3 设计注意事项

干热岩作为建筑采暖热源，在项目设计中应注意以下几点：

1）项目前期，应由具有资质的专业队伍对项目所在地的干热岩资源进行地热资源勘探、地质取样与测试等多方面的调研评估，保证干热岩的热能储备充足，实际出水温度满足设计要求，且使用期限可以达到设计年限，保证项目的经济可行。

2）为保障干热岩井的取热稳定性，尽量减小干热岩之前的取热干扰，每口干热岩热源井之间应当保持尽量长的距离，单井置换井水平间距至少在15 m 以上。同时应保障干热岩基坑距离建筑主体外边3 m以上，并应通过专业复核，减少钻井对建筑结构的影响。

3）由于干热岩井钻井深度深，钻井成本高。出于考虑供热的稳定性和经济性双重考量，建议联合配置土壤源热泵或者其他备用能源联合供暖。

4）干热岩井内的换热器选用时，应注意优化换热器结构及材料，以保证达到良好的换热效果，满足项目供水设计温度，同时注意换热器的寿命和承压能力满足项目设计要求。

4 应用前景

北方地区冬季清洁取暖不仅关系广大人民群众的生活质量，又关系到国家“双碳”计划的落地实施。因此，迫切需要能区别于传统的以燃煤锅炉为主的供暖热源在保障有冬季采暖需求的地区人民温暖过冬的同时，减少大气污染、减少碳排放。干热岩就是切合这一需求的新的供暖热源。干热岩在国内的相对丰裕的储备量，结合本文的案例实际分析结果，表明干热岩供暖系统具有良好的推广前景。此外，干热岩供暖系统的灵活性高，不仅适用于新建建筑，既有建筑改造也可以考虑。干热岩系统所需的设备机房面积较传统锅炉房面积虽然有所增加，但增加面积有限、易于实现，干热岩井的占地面积小，用户末端供暖设备可以保持不变，具备既有建筑改造的良好条件。

随着能源科技水平的不断提升，干热岩资源不断被勘探发现，换热器材料和结构不断优化升级，施工工艺的优化都将使得干热岩昂贵的设备钻井费用降低，或获得一定的政策补贴，使得干热岩供暖系统这一低碳技术获得更好的经济性，从而得到大量推广。

5 结论

1）干热岩是一种低碳环保的供暖热源，具有安全稳定、可循环利用、突破用地制约等诸多优点。干热岩资源主要分布在青藏高原、东南沿海和华北等地区，资源储备量丰富。但是国内尚未开展成熟的大规模商业化开发。

2）以西安某综合办公楼为案例，分析对比了燃气锅炉、干热岩供暖两种不同的冬季供热的热源在机房面积、初投资费用、运行费用情况、节能率、CO2排放量等方面的不同。对比结果可知，干热岩供暖面积较传统燃气锅炉，机房面积虽有增加但增幅并不大易于实现，钻井施工费用昂贵导致初投资费用高。但是具有节能效果显著、低碳排放、运行费用低等诸多优点，建议在保证干热岩供热温度且符合设计使用年限时，可考虑使用。

3）干热岩供暖灵活性高，不仅适用于新建建筑，在既有建筑改造中也可以使用，随着技术的不断提升，或者有相关政策补贴的情况下，经济性可以获得改善，未来具有良好的应用前景。