基于中深層地埋管供熱技術的工程實例分析

楊超，張鵬飛，賀云飛，王俞舒，段科鋒

（西安灃東熱力有限公司，陜西 西安 710086）

地熱能是一種蘊藏在地球內部的清潔能源，主要來源于地球內部放射性元素衰變、地球熔融巖漿以及太陽能，其開發前景十分廣闊，已成為21世紀能源發展中不可忽視的可再生能源之一。

我國中深層地熱資源開發主要有地熱水直接開采、采灌系統平衡和中深層地熱地埋管換熱等三種。地熱水直接開采是過去傳統的利用方式，目前已不提倡；采灌系統平衡是由開采井、地面換熱設備和回灌井組成的閉式循環系統，實現地下熱水采灌平衡，不同地區和層位回灌率不同，大部分地區現有技術條件下回灌率較低；近年來，中深層地熱地埋管換熱技術的研究應用，開創了一種全新利用模式，解決了以往地熱開發利用中存在的問題，也掀起了新一輪地熱資源開發利用的高潮。

1 中深層地熱地埋管供熱技術

1.1 技術原理

中深層地熱地埋管現有同軸套管式和U型管式兩種，本文介紹技術較為成熟，應用廣泛的中深層地熱同軸套管換熱技術，該技術是以中深層地熱能為熱源，先通過鉆機向地下2～3km深處高溫熱巖體鉆地熱井，在井內安裝一種密閉的同軸套管換熱器，利用換熱介質在井內形成閉式循環將地熱能“取熱不取水”無干擾交換，經地熱熱泵機組溫度提升后由用戶側循環水泵和輸配管網為用戶提供供熱服務的新技術。中深層地熱同軸套管供熱系統由地熱換熱系統、地熱熱泵系統和室內供熱系統三部分組成，原理如圖1所示。

圖1 中深層地熱同軸套管供熱技術原理示意圖

1.2 技術特點

（1）適用性廣。中深層地熱能是一種分布廣泛、持續穩定的可再生能源，該技術不受水文地質條件的制約，不需地熱資源勘探，鉆井位置選定比較靈活，施工場地及設備占地面積少。（2）綠色環保。不產生廢氣、廢液和固體廢棄物等任何排放，治污減霾成效顯著。（3）保護水資源。該技術通過中深層密閉地埋管與高溫巖體實現間接換熱，與地下水隔離，不抽取地下水，不使用地下水。（4）高效節能。中深層地熱能全年溫度穩定，較淺層地熱能溫度高，單井換熱量大，可解決約1.3萬～1.5萬m2建筑供暖，供熱系統效率高。（5）安全可靠。中深層地熱井井徑小（200mm），深度在2～3km，對建筑本身及地基無任何影響，地下無運動部件，無化學反應，系統穩定，無安全隱患，可靠性高。（6）系統壽命長。中深層地埋管外管采用J55鋼級套管，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當。（7）無冷熱平衡問題。該技術以2～3km中深層地熱能為熱源，具有持續穩定性，不需要考慮冬、夏季的冷熱平衡問題。（8）經濟效益低。初期投資大，投資回收期長，利潤率低。（9）資源利用率低。由于中深層地熱能溫度高，只能作為熱源用于冬季供熱，夏季制冷需另加冷卻塔等制冷設備，造成非供暖季地熱井閑置。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

該工程項目位于西安市西咸新區鎬五路，總建筑面積132438.30m2，供暖面積93385m2，設計了6口中深層地熱源井作為熱源，井型為直井，井深2500m，井間距15m，熱交換站采用2臺制熱量1600kW地熱熱泵機組，最大供熱能力3370 kW，設計供回水溫度50/40℃，設計壓力1.0MPa，末端采用地板輻射供暖方式，主要設備技術參數見表1。

表1 無干擾地熱供熱系統主要設備表

2.2 應用分析

2020年12月10日～12月31日進行為期22天試運行，開啟2臺熱泵機組，用戶熱負荷70%。

（1）熱泵機組和用戶側循環水泵開啟前（用戶熱負荷為0），熱源側循環介質靜止（超過3個月），地熱井井口溫度48℃，熱源側循環水泵開啟后，地熱井井口出水溫度最高穩定到55.8℃。

（2）熱泵機組和用戶側循環水泵開啟，用戶熱負荷逐漸增加，熱負荷增至70%后持續運行10天。用戶側供水溫度平均39.8℃，用戶側供回水溫差平均7.4℃，室內平均溫度21.5℃左右，滿足GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》相關規定；熱源側供水溫度平均36.8℃，進機組前混水降溫至27℃左右，供回水溫差平均值為6.4℃，如圖2所示(第6日熱負荷增加至70%以上后穩態運行)。熱源側供水溫度較高且波動變化較小，高于機組安全運行溫度上限，為保證熱泵機組高效運行，進機組前進行了混水降溫。

圖2 熱源側進出水溫度

（3）試運行后期，負荷逐漸降低，熱源側溫度逐漸回升至初期運行時40℃以上，試運行結束10天后，地熱井井口溫度回升至48℃，達到未運行前溫度水平。

（4）供暖季初期，熱源側進水溫度較高，可達50℃以上，隨著熱負荷增大，熱源側進水溫度逐漸降低至31℃左右，系統趨于穩態運行，高于同類項目8℃左右，效果較好。

（5）測試期間，系統制熱量為1716kW，單井平均取熱功率約為253kW，延米換熱功率約為101W/m，單井平均循環流量約為21m3/h。

（6）測試期間，室外平均溫度為-3℃，室內平均溫度為23.4℃，地熱熱泵機組平均COP為6.49，系統平均COP為5.20。

（7）循環水泵耗電量占系統總耗電量的比例為19.8%，熱泵機組耗電量占系統總耗電量的比例為80.2%。

3 結語

（1）中深層地熱地埋管供熱系統熱源側取熱量穩定，出水溫度較高，延米換熱功率約為101W/m。（2）熱源側進水溫度為31～48℃，熱泵機組COP達到6以上，在供暖初期及末期熱源側進水溫度較高時節能效果更加明顯。（3）本次測試單井平均取熱量與數值模擬計算給出的地埋管換熱量評估值較為一致。（4）本次測試單井平均循環流量約為21m3/h，處于給出的經濟運行流量范圍內，水泵輸配能耗占系統總能耗比例小于20%。（5）中深層地熱地埋管供熱系統雖然在供暖初期由于連續取熱，熱源側溫度有所下降，但是，可持續保持穩定供熱量且熱源維持在較高品位，高于機組安全運行溫度上限，為保證熱泵機組高效運行，進機組前進行了混水降溫。（6）本項目試運行顯示出良好的運行能效，初投資也在可控范圍內，因此，在一定條件下，中深層地埋管技術具有良好的推廣前景。（7）按照一個采暖季入住率70%計算，該項目預計運行成本為1.97元/平方米·月。