深層地熱能梯級利用供暖方法探討

左洋

摘要：在城市化進程不斷加快下，人們提高了對供暖的需求，城市集中供熱是城市能源建設的一項基礎設施。尤其是在冬季供熱期間，會消耗大量的資源，導致出現嚴重資源危機，也對環境造成了污染，因此，需要采取有效措施解決這一問題。而深層地熱能作為一種綠色、潔凈的可再生能源，在能源領域中具有重要作用。本次研究主要對現階段深層地熱能應用現狀進行分析，并結合北方實際工程實例固安牛駝鎮某綜合體項目，具體分析了深層地熱能梯級利用供暖方法，希望為深層地熱能的利用以及設計提供參考。

關鍵詞：深層地熱能;梯級利用;供暖方法

深層地熱能作為一種可再生資源，儲量豐富，并且具有較強的穩定性，對我國未來能源使用具有重要作用。但是深層地熱能在實際應用過程中，其應用模式較為單一，間接對環境造成了嚴重影響，也造成了大量的能源浪費，為此，本文對深層地熱能梯級利用供暖方法進行深入研究，希望可以改善這一問題。

一、現階段深層地熱能應用現狀

所謂深層地熱能，主要指的就是溫度大于25攝氏度的一種自然資源。深層地熱能優勢較為突出，不僅熱流密度大，并且流量、溫度等熱物性參數較為穩定。屬于一種礦產資源，也是極為寶貴的水資源，可以經過開發后發揮使用價值。

現階段，我國在應用深層地熱能過程中，主要是利用地下存儲豐富的高溫地下水，但是地下高溫水的有效利用溫度差較小，導致出現了能源浪費情況。并且被利用后的高溫熱水直接流入到環境中，對自然環境造成嚴重影響[1]。

二、深層地熱能梯級利用項目實例分析

本文主要以廊坊市牛駝鎮萊康郡項目為例進行分析。項目總建筑面積678466.52平方米，建筑密度24.67%。因當地地熱資源豐富所以項目以溫泉養生為主打理念，配套建設高層住宅、聯排及獨棟別墅、公租房、酒店、及配套商業娛樂設施等。

本次設計為一期能源站項目。包含住宅及俱樂部公共建筑物。其供熱面積約17萬平方米（包括自持10萬平米，可售7萬平米），供冷面積2萬平方米。熱負荷6700KW，冷負荷1400KW。

（一）設計方案

針對項目整體情況，冬季利用“地熱高溫水直供+尾水梯級利用”的方式解決項目所有建筑物的熱負荷需求;根據不同溫度段，采取合理的換熱方式，充分發揮地熱水的效益，從而達到地熱水的梯級利用。夏季供冷區域采用熱泵系統配置冷卻塔的形式進行制冷

在實際工程建設中，新增了2口深層地熱井，回灌井1口，生產井1口，利用地熱水為工程提供制熱需求，取水溫度82攝氏度，回水溫度10攝氏度，水量80m3/h，設計出一級板式換熱器直供（用于原自持住宅項目約10萬平米），二級熱泵機組提熱系統[2]（用于可售7萬平米住宅項目）。

1.熱源選擇

在此地區中蘊含著大量的地熱資源，當冬季出現供暖需求后，該建筑主供暖方式是將地熱水梯級利用與熱泵機組結合，從而為建筑提供供暖。根據實際情況以及該地區的地質，在加上現有的成井，新建2口地熱井，單井出水溫度82攝氏度，出水量為每小時80m3。

2.地熱井設計及成井工藝

地熱井由一口生產井和一口回灌井組成，實際的井深取決于開采過程中的水溫以及地質情況決定。

（1）井身結構及套管結構

對于井身結構的選擇，主要利用“三開”結構。井身結構為444.5mm ，其中套管結構為339.7mm， 311.1mm的套管結構為244.mm，以及215.9mm。

（2）地熱井成井工藝

分析井的地質情況，最終確定該井結構：0到400m的井徑為直徑444.5 mm，放入石油套管直徑339.7 *9.65mm;而360到1400 m的井徑為直徑311.1mm，下入石油套管直徑244.5*8.94mm;1400到1800m為直徑215.9mm裸眼。

3.地熱換熱站

在此供熱系統中主要由一級板式換熱器直接換熱和二級板式換熱器間接供熱系統構成，其二級制熱系統主要利用的是熱泵系統，將一級板式換熱器地熱水出水作為熱泵的熱源，其中一級板式換熱器利用80℃的地熱水加熱二次側供暖水溫度至50℃ 供末端采暖用戶需要，其進出水溫為80/35℃。二級板式換熱器利用熱泵技術，將35℃的一級板換地熱尾水通過換熱器換熱后，經熱泵機組提取熱量，制取50℃熱水供冬季采暖系統使用，其進出水溫為35/10℃。地熱尾水通過加壓回灌裝置回灌入井。其原理圖見下圖1。

夏季由熱泵機組為俱樂部等公共建筑提供7/12℃制冷冷水。同時配備兩臺冷卻水量為350m3/h的冷卻塔。

換熱站主要設備包括：制熱量1800KW熱泵機組兩臺，鈦合金板式換熱器4臺（其中一級板式換熱2臺，二級板式換熱2臺），循環泵若干，軟化水設備一套。

4.回灌及地熱尾水處理

結合該項目中的地質構造，可以滿足回灌條件，由于在地熱尾水中，存在礦化度、溫度等原因，如果直接對外排放，會造成水體污染以及熱污染，所以需要開采地熱回灌井。因此，該工程鉆采1口回灌井將地熱井水進行回灌。

（二）節能減排

通過數據對比后，可以發現不同供暖形式其污染物排放情況存在很大不同，如圖1所示。

本次研究主要是將深層地熱水作為供暖熱源，這與燃煤鍋爐房集中供熱相比較，減少了煤炭資源的使用，降低了環境污染，對環境保護起到重要作用，迎合了節能減排目標。

結語：

通過本文結合項目的深層地熱梯級利用采暖設計，不難發現，深層地熱的利用具有很大潛力，梯級利用極大的提高地熱能利用率，實現對地熱資源的充分利用，有利于進一步增強節能減排效果。

參考文獻：

[1]韓二帥，張家護，魯冰雪，劉帥.中深層地熱能供熱技術綜述及工程實例[J].區域供熱，2019，54（02）：179-183+195.

[2]張曦，李杰.深層地熱能多梯級利用的應用研究[J].節能，2019，38（01）：181-184.