中深层地热技术在典型供热项目中的应用分析

中深层地热技术在典型供热项目中的应用分析

李丹阳

中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司300457

摘要：本文主要以研究中深层地热供暖技术为目的，研究内容包括国内外地热资源情况，国内中深层地热利用情况以及中深层地热利用技术路线等，同时通过对典型供热项目的案例应用进行分析，探讨中深层地热供暖项目的技术适用性以及经济性。

关键词：中深层地热;供热;经济性

我国中深层地热能资源丰富，发展迅速，故本文系统梳理中深层地热供暖技术的研究现状，分析该技术常用的两种方式及应用效果，以期为相关研究人员、工程技术人员以及政策制定部门提供参考。

1地热资源简介

地热资源统称为地热能，主要来自地球核心的熔融岩，一般是以热能的形式存在。一般熔融岩的温度可达7000℃左右，而在地下100公里左右的深度，地热的温度会降至1000℃左右，这时地地球内部热能透过地下水及熔岩的涌动至离地面1至5公里的地壳，从而将热力传送到接近地面的地方，高温的熔岩将地下水以及岩石土壤加热，通过热传导作用就形成了地热能。

从能源的利用方式与转换方法的角度出发，一般可以将地热能分为高温热、中温热、以及低温热三部分。

一般来说温度大于等于25摄氏度的地下热能，都可称作地热能，高温热能的温度一般大于150℃;中温热能介于90到150℃;低温热能低于90℃。

本文主要以中深层地热能供暖为研究对象，主要讨论中深层地热供暖技术，温度<25℃的地热能不做讨论。

2中深层供热研究现状

2.1中深层水热型地热供暖技术

国内外对于水热型供热技术的相关研究，主要集中于地热特征、成因探讨和尾水回灌。建立成因模型讨论地热系统的形成机制，对中国地热资源形成和赋存热背景进行剖析，讨论各地热系统的属性和机制，详细剖析地下热水的赋存特点；系统分析了典型水热系统的运移条件、热源机制，归纳阐述了不同类型的水热系统的成因模式。

2.2中深层地埋管技术研究现状

针对于中深层地埋管技术研究方向主要集中在：①管内因素，包括循环流量、进口温度等；②管外因素，包括土壤导热系数、地热梯度、地下水渗流等；③地埋管因素，包括地埋管形式、埋深等。

在模拟计算方面，对同轴套管式中深层换热器进行模拟研究。采用 Beier 解析法和基于 OpenGeoSys 的数值模型，计算换热管内部水流和周边土壤的温度变化，认为同轴套管式地埋管长期连续换热情景时延米换热量约为 100W/m，且不会超过 150W/m。

在实测数据方面，对寒冷地区进行了实测研究，分析表明在 48小时以上的测试周期内每延米取热量平均值可达到 79～144W/m，热泵机组 COP值 达到 5～6，供热系统 COP 值达到 3～4。

3 工程应用研究

A公司投资建设的科技园项目总占地面积约7.2 hm2(108亩），规划16栋楼，建筑面积约1.5×105m2，供热面积约1.14×105m2，总热负荷7 000 k W。因此计划采用中深层地热替代原规划的天然气锅炉供热，以大幅降低供热费用。

3.1 构造概况

本项目所在区域地层从上至下主要由第四系、新近系、古近系、三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系下中统和寒武系上中统等地层组成。

3.2 地热资源形成条件分析

已有的区域实钻资料表明，项目所在区具备良好的地热地质条件，热储层岩性为奥陶系、寒武系碳酸盐岩，主要表现如下。

1）盖层由第四系、新近系泥岩层和二叠、石炭系岩层组成，总厚度600～1 700 m不等。奥陶系中统峰峰组顶板埋深600～1 800 m，其上盖层厚度较大，分布比较稳定，隔水、隔热性能良好，具备良好的盖层条件[3]。

2）热储层主要为古生界碳酸盐岩地层，即奥陶、寒武系灰岩，尤以中奥陶统、中寒武统发育最好，总厚300～800 m。

3.3 流体物理化学特征

地热水化学类型为SO42--Ca2+型水，矿化度为1.0～2.1 g/L，总硬度为0.7～1.4 g/L,p H值为7.0～8.3，呈弱碱性。

3.4 水温、水量预测

通过收集查阅本区域相关地质资料和了解附近地热项目情况，收集调研的资料显示，该区域附近地热井的水量在100 m3/h以上，井口水温在60℃以上，最高达到74℃。周边地热井水温、水量情况如表1所示。根据以上掌握的资料情况，本项目地热井设计井深为2 450 m，水量预计105 m3/h，井口水温65℃。

4 项目热负荷

4.1 热负荷分析

本项目总供热面积约1.14×105m2，总需求热负荷为7 000 k W。目每年供热期为11月1日至次年3月31日，供热时段0:00—24:00，室内温度要求18℃以上。

4.2 平均热负荷

根据CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》，计算该项目采暖期采暖平均热负荷。

本项目设计热负荷为7 000 k W，室内温度设计为18℃，供热时间为150 d，平均室外温度按照除去最冷5 d后的平均室外温度为-3.38℃，则该项目采暖期采暖平均热负荷为4 859.09 k W。

4.3 全年耗热量

项目平均热负荷为4 859.09 k W，则该项目年耗热量为62 959.68 GJ。

5 热源建设方案

5.1 热源方案

5.1.1 生产井数量的确定

根据地热资源分析，项目所在区域有丰富的地热资源，可采用地热作为热源。设计地热井深2 450 m，地热井单井出水量105 m3/h，井口温度65℃。

小区末端采用风机盘管，设计供热供回水温度为45℃/40℃。按照尾水回灌温度15℃计算，地热水直供可提供负荷Q1=105×1.163×（65-42)=2 808.65 k W。根据热负荷分析，项目需要的地热井口数n=7 000÷7 204.79=0.97口，因此需生产井1口。由以上分析可知，该地热井热源富裕，可满足项目的供热需求。

5.1.2 回灌井数量的确定

初步拟定按照同层1∶1回灌，即采用“一采一灌、同层回灌、取热不耗水”的模式进行回灌，因此需新建回灌井1口。

5.2 换热站设计

5.2.1 工艺流程

该项目利用地热水作为供热热源，冬季提供45℃/40℃采暖热水。系统设置1口生产井。项目供热系统不分高低区，采用“板换直供+热泵机组调峰”的方式为项目供热，当室外温度较低时，板式换热器直供，直供无法满足热负荷需求时，开启热泵机组调峰以满足总热负荷要求。

5.2.2 主要设备选型

该项目主要设备为潜水泵、热泵机组、循环水泵、板式换热器、软化系统、回灌过滤装置等

5.2.3 地热尾水处理

本着取热不耗水原则，需对地热尾水进行同层回灌处理，实现地热尾水的全部同层回灌。因此，在换热站内设置地热尾水回灌过滤装置，过滤管道及系统残留的直径相对较大的颗粒，防止回注地热水堵塞地热水储层。

结语

经过对中深层地热供暖典型项目的分析可知，中深层地热在燃气费用较高地区具有很好的推广性，在取暖费仅有18元/㎡的情况下，仍然能实现9.5%的收益率，因此，在了解开发项目当地地热资源情况后，若地热条件良好(地热资源储量丰富，回灌条件良好)可优先使用中深层地热作为供热主力热源，从而提升项目的经济性，提高当地的可再生资源综合利用率。

参考文献

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 (2021)[M].北京:中国建筑工业出版社,2021

[2]王沣浩,蔡皖龙,等.地热能供热技术研究现状及展望[J].制冷学报,2021,42(1):14-22

[3]王贵玲，蔺文静.我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式[J].地质学报,2020,94(07)：1923-1937