基于同層回灌的中深層地熱能清潔供暖系統設計

胡文全，曹慶皎，張昌建，2，羅景輝，2，劉小溪

（1.河北工程大學，河北 邯鄲 056000；2.河北省暖通空調創新中心，河北 邯鄲 056000）

受能源與環境雙重壓力影響，中深層地熱利用技術研究日趨活躍，高效利用中深層地熱是解決碳達峰、碳中和的有效途徑之一[1]。

我國目前利用中深層地熱有2種方法[2]。

（1）水熱型地熱換熱技術。通過將地下水資源開采抽出，提取熱量后回灌。具有單井取熱量大、造價低的優點，但回灌困難、污染地下水環境。

（2）保水取熱換熱技術。利用外界循環液進入井下管道與巖土層換熱，無需開采地下水資源，取熱不取水。主要包括2種形式：U型對接井和同軸套管井。但換熱量有限，工程造價高，施工難度大。

本文針對中深層地熱能推廣應用過程中存在的技術難題，提出的“同層回灌技術”，通過潛水泵和真空保溫套管將取出的高溫水經過換熱后，送回同取水層，不對地下水造成影響，實質上是一種“取熱不取水”的方式[3-4]；將取熱與熱泵技術相結合，實現熱能梯級利用，構成完整的供暖系統[5]。

1 深井概況

地熱井位于河北工程大學新校區，所屬地熱田為邯鄲-磁縣地熱田，屬于沉積盆地型地熱田，地溫梯度2.53℃/100 m，井深1 570 m，終孔在地層古近系；穩定水位36.82 m。根據水樣水質全分析資料，本井熱儲含水層水化學類型HCO3·Cl-K·Na，溶解性總固體866.00 mg/L，pH值8.22，總硬度38.04 mg/L，屬弱堿性軟水。

1.1 鉆孔結構示意圖

如圖1所示，鉆井分為三開：

圖1 鉆孔結構示意圖

一開0～94.2 m井段：螺旋套管φ377×8 mm，套管入井深度94.2 m，高出地面長度2.2 m。

二開94.2～951.74 m井段：石油套管φ273×8.89 mm，套管入井深度78.45～951.74 m。

三開951.74～1 570 m井段：石油套管（花管）φ177.8×8.05 mm，套管入井深度935.11～1 570 m。1 206～1 521 m設置12 m濾水管8根。

1.2 鉆井溫度變化圖

該井測井的最終深度為1 552.40 m。測得井深1 552 m的井溫為61.6℃。水溫T（℃）與鉆井深度L（m）的變化關系如圖2所示，二者可擬合為多項式公式：

圖2 鉆井深度與水溫關系圖

T=0.0601L3-8.5152L2+430.06L-6573.5。

1.3 熱儲含水層抽水試驗

對熱儲含水層進行正式抽水試驗，獲得最大降深62.51 m時，涌水量63.648 m3/h，抽水試驗結束后進行了水位恢復觀測，見表1。根據測井資料和抽水試驗數據，劃分14個含水層，單層厚度為1.45～7.40 m，累計含水層（中細砂巖）總厚度43 m。抽水試驗最大涌水量1 527.55 m3/d，井口出水最大溫度為48.5℃。

表1 熱儲含水層抽水試驗觀測

2 中深層地熱能清潔供暖系統的設計

2.1 供暖系統原理

通過井下120 m處潛水泵，將45℃熱水抽出，輸送至清潔供暖系統一級板換換熱，水溫下降至35℃，提取出的熱量：Q1=（45-35）×20×1.163=232.6 kW直接供給熱用戶。

35℃低溫熱水進入二級板換換熱，水溫下降至8℃，提取出熱量：Q2'=（35-8）×20×1.163=628 kW，經熱泵機組（選型見2.3.3，cop=3.72）提升能級后，獲得熱量Q2=Q2'÷（3.72-1）×3.72=858.9 kW，熱泵機組電功率為230.9 kW。

8℃冷水通過石油真空保溫管道輸送至井下1 300 m處，通過花管回灌至井下1 300～1 500 m處，實現同層（館陶組熱儲層）回灌。

2.2 清潔供暖系統原理

清潔供暖系統的組成主要由潛水泵、管道管網、一級、二級板式換熱器、水源熱泵、回灌壓力泵及熱用戶組成。系統工藝流程圖如圖3所示。

圖3 系統工藝流程圖

2.3 系統參數設計

2.3.1 負荷設計

河北工程大學現需要采暖的建筑面積為19 700 m2，建筑負荷985 kW，熱量損失8%，需要熱量1 063.8 kW。

2.3.2 系統阻力

（1）管網阻力計算

井下抽水流量L=20 m3/h，由公式（1）可計算各管道沿程阻力。

其中井下抽水管道DN80管道，v1=1.1 m/s，λ1=0.24，l1=120 m；

井上供回水管道DN100管道，v2=0.63 m/s，λ2=0.18，l2=400 m；

井下非保溫回灌管道DN80管道，v3=1.1 m/s，λ3=0.24，l3=200 m；

井下回灌石油保溫套管DN100管道，v4=0.63 m/s，λ4=0.18，l4=1 100 m。

水力計算得：P1=2.3 mH2O，P2=1.8 mH2O，P3=3.8 mH2O，P4=5.0 mH2O；合計12.9 mH2O。

附加50%局部阻力，6.5 mH2O。

（2）抽水揚程及設備阻力

抽水高度120 m、板式換熱器兩臺合計10 m H2O。

合計阻力149.4 m，循環水泵選用200QJ20-200，流量20 m3/h，揚程200 m，電機功率22 kW；額外設置流量20 m3/h，揚程80 m，電機功率11 kW的變頻水泵CDL-32-60用于克服井下涌水壓力實現回灌。

2.3.3 水源熱泵選型計算

總熱負荷需求為1 063.8 kW，其中一級板換直接供熱提供232.6 kW，需依靠熱泵提供831.2 kW熱量。選用約克YEWS260HA50E-HP2型水源熱泵，當前工況下電功率230.9 kW。

二級板換熱水側進出口溫度為35/8℃，取蒸發器進出口水溫15/5℃，流量54 m3/h。

2.3.4 板式換熱器選型計算[6]

一級板換基本參數見表2。

表2 一級板換基本參數表

Δ大=Δ小，用平均溫差代替對數平均溫差，平均溫差Δtm=5℃。

由公式（2）估算傳熱面積：10 m2

其中：K'為經濟換熱系數，水-水換熱器取值2 900～4 650 W／（m2·k）。

選BR0.6M型換熱器，有效換熱面積f=0.6 m2，流道截面積S=2.132×10-3m2，當量直徑d1=d2=7.6 mm。

換熱器流速取W1=W2=0.35 m/s。

由公式（3）計算雷諾數：Re1=3 548，Re2=3 219.7。

由公式（4）計算努謝爾特數：Nu1=111.7，Nu2=125.9。

由公式（5）計算換熱系數：α1=117.8，α2=130.9。

由公式（6）計算傳熱系數：K=4 228.9 W/m2·℃。

板換熱阻RP為45×10-5m2·℃/W，水垢熱阻Rf為1.16×10-6m2·℃/W。

由公式（7）計算理論換熱面積：Fm=11 m2。

由公式（8）計算單程流道數：n1=n2=8。

由公式（9）計算流程數：N1=N2=1.2。

故取n=10，N=1。

由公式（10）計算實際換熱面積：F=11.4 m2。

最終選用BR0.6MH型換熱器，板片數21，換熱面積11.4/12.6 m2（計算/裝機）。

二級板換同理，得出n=13，N=2，F=30.6 m2。

最終選用BR0.6型換熱器，板片數53，換熱面積30.6/31.8 m2（計算/裝機）。

2.4 其他設備選型

（1）一級供熱泵：80KQL50-32-7.5/2，流量50 m3/h、揚程32 m，電機功率7.5 kW。

（2）內循環泵：100KQL80-24-7.5/2，流量80 m3/h、揚程24 m，電機功率7.5 kW。

（3）二級供熱泵：100KQL100-32-15/2，流量100 m3/h、揚程32 m，電機功率15 kW。

總電功率293.9 kW，其中熱泵功率230.9 kW，水泵功率63 kW。

3 清潔供暖系統的經濟性分析

本系統已在河北工程大學建造并投入運行，供暖面積19 700 m2，運行狀況良好，達到了良好的經濟效益。

3.1 本系統運行費用

運行天數150 d，電費單價0.6元。

熱泵運行時間系數0.6，季節系數0.6，功率230.9 kW；水泵運行時間系數0.6，功率63 kW。

運行費用合計26.11萬元。

3.2 集中供暖運行費用

采用集中供熱，運行費用為6.4元（/m2·月），運行5個月，運行費用為63.04萬元。

每年節約運行費用63.04-26.11=36.93萬元。河北省內廢棄地熱井有幾百口，若改造為本系統，將產生極高的經濟效益。

4 結論

（1）設計了清潔供暖系統，系統制熱量1 091.5 kW，系統COP4.72，實現了深層地熱資源的高效利用，是解決碳達峰，碳中和的有效途徑。

（2）首次采用了同層回灌技術，為解決深層取水導致的環境污染問題提供了新的途徑。

（3）建成了示范項目，解決了河北工程大學19 700 m2冬季供暖問題，取得了良好的經濟效益。