中深層地熱資源在供暖中的應(yīng)用及負荷調(diào)峰方法分析

黃賢闖，石 巖

（吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，長春 130000）

地熱資源是世界第三大清潔能源，其開發(fā)及有效利用對我國節(jié)能減排具有重要意義。中深層地熱資源量相當于8 530 億t 標準煤，大約是淺層地溫能資源的100 倍[1]。隨著開發(fā)技術(shù)的逐步成熟，中深層地熱資源的利用將得到快速的發(fā)展。中深層地熱資源現(xiàn)每年開發(fā)利用量相當于6.4 億t 標準煤，實現(xiàn)減排13 億t CO2。同時，我國在“十三五”規(guī)劃中計劃將中深層供暖面積增加到4 億m2[2]。但由于中深層地熱資源開發(fā)技術(shù)不成熟，各種自發(fā)技術(shù)沒有得到權(quán)威的驗證，粗制濫用，導致中深層地熱資源開發(fā)利用效率低下，資源浪費嚴重，經(jīng)濟效益較低，影響商業(yè)的推廣。

1 中深層地熱資源在供暖中的應(yīng)用方法

中深層供暖目前多數(shù)采用梯級利用模式，因為地熱利用率高，經(jīng)濟效益可觀。但是，梯級利用導致地熱水溫度降低較大，尾水溫度甚至達10℃，長期開采必將對地熱能力恢復產(chǎn)生不利影響。其次是預埋換熱器的形式，預埋換熱器系統(tǒng)可以不開采地熱水，還可以防止腐蝕堵塞管道，對于保護環(huán)境和降低運營成本是非常有效的。但是以上兩種方法都無法做到用熱平衡，對地熱恢復生產(chǎn)不利，也無法夏季供冷。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)方法的對比研究，本文初步提出“深淺井結(jié)合供熱供冷式系統(tǒng)”的技術(shù)方法，它可以彌補以上缺點，提高中深層地熱井和淺層地熱井的利用效率。

1.1 中深層地熱能梯級利用供暖方法

為了提高抽出的地熱水和回灌水之間的溫差，獲得一次抽水的熱量的最高效利用，拋棄了換熱溫差較小的單個或者單組換熱設(shè)備，對不同使用用途、不同適用溫差的設(shè)備進行串聯(lián)組合，在供暖時將開采出來的高溫水直接用換熱器換熱后的溫度較低的水再次利用，采用熱泵把無法用于直接換熱供暖的低溫熱水中的熱量開采出來。梯級利用的優(yōu)點在于能高效地利用地熱能，經(jīng)濟效益較高，有利于推廣地熱能的商業(yè)開發(fā)利用。其缺點在于相較于一次換熱采暖系統(tǒng)，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，初投資及后期維護成本較高。梯級利用的換熱站流程如圖1所示。

圖1 中深層地熱梯級利用

1.2 預埋換熱器式中深層供暖

由于地熱水在地下幾千米高壓高溫儲存，其水質(zhì)必然具有多種無機鹽組分及較高的礦化度。地熱水中含有鉀、鈉、鈣、鎂、硅、氯化物、氟化物、硫酸鹽、碳酸鹽，及過量的鐵、錳離子等多種成分。現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查也表明，目前開采的相當一部分地熱水中的一些微量元素與重金屬元素也有不同程度的超標，如砷、硼、鎘、汞等，而且某些地熱水中還存在微量放射性元素，如氡，這又可能存在著總放射性超標的問題。地熱水復雜的水質(zhì)非常容易造成水管的堵塞和腐蝕，增加后期地下系統(tǒng)的維護成本。然而，采用預埋換熱器的方式就可以避免地熱尾水腐蝕、堵塞水管的問題。預埋換熱器式中深層供暖是將外層涂有防腐材料的特制專用換熱器埋于打好的孔中，換熱器可以是一組或者多組。換熱器通過管道與地上的水泵和換熱器相連形成循環(huán)，循環(huán)水必須是凈化水，以防止形成水垢堵塞地下?lián)Q熱器和水管。這樣地下?lián)Q熱器從地下土壤或者巖石中獲取熱量，然后被工質(zhì)帶到地面，再經(jīng)過地上換熱器把熱量供給用戶。預埋換熱器式中深層供暖流程如圖2所示。

圖2 預埋換熱器式中深層供暖系統(tǒng)

預埋換熱器式中深層供暖具有以下優(yōu)點：不需要抽取地下熱水，減少地下水位下降的風險；采用循環(huán)水或者其他不腐蝕管道的工質(zhì)，降低管道腐蝕、堵塞的風險，延長系統(tǒng)使用壽命，降低維護成本；無需回灌地熱尾水，其他系統(tǒng)中，地熱尾水都需要用水泵回灌，而此系統(tǒng)去除了以往回灌地熱尾水的能源消耗，降低了運營成本；無需回灌井，打井數(shù)目比普通系統(tǒng)減少一半，初投資減少一半，所需要的場地也大量減少，經(jīng)濟效益直線增加，推廣應(yīng)用也比較容易。

1.3 深淺井結(jié)合供熱供冷式系統(tǒng)

眾所周知，中深層地熱供暖系統(tǒng)相較于淺層地源熱泵系統(tǒng)雖然在冬季供暖上更加節(jié)能環(huán)保，具有非常大的優(yōu)勢，但無法在夏季供冷，無法滿足具有供熱需求和供冷需求的用戶，這也是中深層地熱系統(tǒng)無法在我國中部地區(qū)大面積推廣的原因。目前，深淺井結(jié)合式供熱供冷系統(tǒng)完全解決了這個問題。這個系統(tǒng)由一口深井和一口淺井組成，在冬季，一般采取深井的地熱能來供暖，經(jīng)過梯級利用后的地熱尾水（溫度為10℃左右）回灌進淺井中。在夏季，一般利用淺層地源熱泵在淺井中取冷。在本系統(tǒng)中，冬季排出的溫度較低的地熱尾水排進淺水井中，并為夏季提供冷量，同時解決了夏季供冷與冬季地熱尾水的問題，實現(xiàn)了資源有效利用，環(huán)保節(jié)能。深淺井結(jié)合供熱供冷式系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 深淺井結(jié)合供熱供冷式系統(tǒng)

深淺井結(jié)合式供熱供冷系統(tǒng)具有五個突出優(yōu)點。一是兼顧供暖供冷需求。一口深井冬季供暖，一口淺井夏季供冷。二是節(jié)能環(huán)保。冬季供暖采用深井，深井溫度比較高，冬季采暖能達到最大的節(jié)能環(huán)保需求。夏季取冷采用淺井，冬季地熱尾水帶出的冷量儲存于淺井中，所以淺井溫度大大小于室外溫度，采用水源熱泵機組也能很大程度地實現(xiàn)節(jié)能。

三是經(jīng)濟效益高。節(jié)能的同時，經(jīng)濟成本也就比較低。據(jù)估算，在夏季，此系統(tǒng)相較于普通淺層地源熱泵系統(tǒng)節(jié)約電能30%左右，比普通空氣源熱泵機組節(jié)約電能50%左右。四是初投資比普通中深層供暖系統(tǒng)低。由于本系統(tǒng)是一口深井、一口淺井，普通中深層供暖系統(tǒng)是兩口深井，深井的開發(fā)成本是淺井的數(shù)倍，甚至十幾倍。

五是深井和淺井的使用壽命將達到50年之久，甚至更長。在普通的中深層供暖系統(tǒng)中，熱突破和回灌溫度有直接關(guān)系。回灌溫度越低，熱突破時間越短，一般的梯級利用系統(tǒng)回灌溫度一般在25℃左右，熱突破時間較短。此系統(tǒng)中采用夏季的熱回水回灌進深井中，溫度大約在35℃，大大延長了深井的熱回收時間。淺井也是如此，用冬季25℃左右的低溫回水代替了夏季35℃左右的高溫回水。

2 中深層地熱資源供暖負荷調(diào)峰方法

在利用中深層地熱資源供暖中，考慮到打井深度經(jīng)濟負擔和出水溫度以及出水量、回灌量對井的熱突破時間影響，地熱井所能承受的負荷與設(shè)計負荷存在一定差異。因此，需要采用一些技術(shù)方法使供熱量滿足設(shè)計負荷要求。方法主要有三種：外加水源熱泵機組二次提取熱量調(diào)峰，外加空氣源熱泵機組調(diào)峰，外加燃煤或燃氣、電力鍋爐調(diào)峰。

2.1 外加水源熱泵機組二次提取熱量調(diào)峰

外加水源熱泵機組二次提取熱量調(diào)峰與地熱能的梯形利用相同，是利用水源熱泵把地熱尾水的熱量，再次提取出來用來加熱供水的系統(tǒng)。地熱水經(jīng)過一級板式換熱器的換熱后，溫度下降后的地熱尾水經(jīng)過水泵進入水源熱泵系統(tǒng)，水源熱泵通過蒸發(fā)器提取回水的熱量，然后通過冷凝器把熱量傳遞給地熱供水，二次換熱后的地熱尾水經(jīng)過管線進入回灌井。水源熱泵機組最終提高了地熱水供暖時的溫度，進而滿足設(shè)計負荷。此系統(tǒng)還可以解決開采出來的地熱水達不到設(shè)計供水溫度的問題。外加水源熱泵還有一種利用方法就是直接代替換熱器，使用水源熱泵提高換熱溫差使供水溫度達到設(shè)計溫度，提高地熱水的利用率。兩種方法各有優(yōu)勢，第一種可以獲得更大的地熱水和地熱尾水之間的溫差，相對節(jié)能，但結(jié)構(gòu)復雜。第二種結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，初投資低。

2.2 外加空氣源熱泵機組調(diào)峰

當開采井的供熱量不滿足采暖熱負荷時，外加空氣源熱泵機組調(diào)峰有兩種解決方法：一種是直接加熱供水，一種是加熱回水使其達到設(shè)計供暖溫度，然后和供水混合。當開采出來的地熱供水與換熱器換熱后，采暖供水再采用空氣源熱泵機組進行升溫，達到設(shè)計供暖溫度后再通過管道輸送給用戶，這種方法為直接加熱供水。直接加熱供水也適用采暖供水經(jīng)過一次換熱器加熱后達不到設(shè)計供暖溫度的情況。加熱回水的方法是采用空氣源熱泵機組對流經(jīng)散熱器后的回水進行加熱，把回水加熱到設(shè)計供水溫度后再與供水混合，然后輸送給用戶。這兩種方法都是對中深層地熱供暖系統(tǒng)的一種負荷補償。

2.3 外加燃煤或燃氣、電力鍋爐調(diào)峰

外加燃煤或燃氣、電力鍋爐調(diào)峰和外加空氣源熱泵機組一樣，都為無法滿足設(shè)計負荷的中深層井提供外在的熱源。前一種方式可以提供較大的能量，滿足較大的負荷，但相對不環(huán)保。空氣源熱泵機組能源利用效率較高，節(jié)能環(huán)保，符合開發(fā)中深層地熱的目的，因此實際工程中一般不采用鍋爐調(diào)峰。

3 結(jié)論

目前，中深層供暖系統(tǒng)大規(guī)模工程應(yīng)用并不普及，各項技術(shù)還需進一步完善，各種中深層供暖系統(tǒng)的應(yīng)用還需進一步優(yōu)化、融合。本文經(jīng)過對比分析，提出一種新的中深層供暖方式——深淺井結(jié)合供熱供冷式系統(tǒng)。人們需要進一步深入研究，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為中深層供暖系統(tǒng)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐，充分發(fā)揮它在環(huán)保節(jié)能方面的優(yōu)勢。