干熱巖供暖系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

孫雅瓊

華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

2020年9月22日，習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上首次提出中國“雙碳”承諾。由此，減碳正式成為中國能源市場的重要目標(biāo)。2020年12月，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時代中國能源發(fā)展白皮書》，表示中國堅持清潔低碳導(dǎo)向，把清潔低碳作為能源發(fā)展的主導(dǎo)方向，推動能源綠色生產(chǎn)和消費(fèi)，加快提高清潔能源和非化石能源消費(fèi)比重，大幅降低二氧化碳排放強(qiáng)度和污染物排放水平，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型［1］。2021年3月11日，十三次全國人大四次會議發(fā)布《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》［2］，提出單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%。落實2030年應(yīng)對氣候變化國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動方案。完善能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度雙控制度，重點控制化石能源消費(fèi)。為支撐實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，地方政府紛紛積極響應(yīng)，從各地陸續(xù)出臺的政策來看，很多省市自治區(qū)都將實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)列為“十四五”期間的工作重點。發(fā)布政策鼓勵風(fēng)電、光伏等非化石能源的發(fā)展，以此減少碳排放。

但是，我國北方冬季采暖目前仍以燃煤電廠或區(qū)域燃煤鍋爐房為主，煤炭燃燒不僅產(chǎn)生大量CO、CO2，不利于踐行“雙碳”目標(biāo)，同時會產(chǎn)生大量SO2、NO2及粉塵等污染物，影響大氣環(huán)境。因此，大力發(fā)展清潔的供暖熱源成為迫在眉睫的時代命題。

1 干熱巖供暖技術(shù)

1.1 技術(shù)簡介

干熱巖（Hot Dry Rock，簡稱HDR），也稱熱干巖，是一種綠色低碳、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的可再生地?zé)崮茉矗浔举|(zhì)是一種埋深在1.5 km 及以上深度且溫度高于150 ℃的高溫巖體。干熱巖熱能的開采是通過鉆機(jī)向地下一定深度的高溫干熱巖鉆孔，在鉆孔中安裝密閉的金屬換熱器，將熱能導(dǎo)出，向地面建筑物供熱［3］。

干熱巖系統(tǒng)根據(jù)單套系統(tǒng)井網(wǎng)數(shù)量可分為單井循環(huán)置換、雙井循環(huán)置換兩種不同的類型。單井循環(huán)置換的基本原理如圖1所示，低溫水輸送至地下干熱巖井中，加熱后送出高溫水，由換熱器換出熱量，該過程取熱不取水，取出熱能成為冬季采暖的熱源。以2.5 km的干熱巖井為例，干熱巖的單井循環(huán)井孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。井內(nèi)設(shè)置DN200密閉的耐腐蝕、耐高溫、耐高壓金屬換熱器，換熱套管含外管、內(nèi)管。外管為熱源低溫回水，由地面向地下輸送吸收干熱巖熱量，在換熱器底部進(jìn)入內(nèi)管，形成熱源供水，由地下輸送至地面。鉆孔分兩次進(jìn)行，一開鉆進(jìn)至501 m，下表套至500 m，二開鉆進(jìn)至2501 m，下套管換熱器至2500 m。雙井循環(huán)的基本原理如圖3所示。整個循環(huán)在一定間距設(shè)定注入井和生產(chǎn)井兩種類型用井，井間距形成人工熱儲層，在注入井注水后，水被加熱后從生產(chǎn)井中開采出來，再經(jīng)由換熱器將熱能換出，作為供熱熱源［4］。

圖1 干熱巖井供暖原理圖

圖2 干熱巖單井結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 干熱巖雙井結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)特點

干熱巖作為清潔熱能源，具有以下優(yōu)點：

1）低碳環(huán)保。干熱巖作為供暖熱源使用時，其中的能量通過低溫介質(zhì)將其傳導(dǎo)出來，該過程是傳熱過程，只提取地下熱量，不抽采地下水、不污染地下水，不燃燒化石燃料，是一種零污染排放的清潔低碳能源。

2）安全穩(wěn)定。干熱巖被穩(wěn)定的儲存于地下深處，使用時開啟系統(tǒng)即可，隨取隨用。與光伏、風(fēng)能等其它清潔能源不同。不受太陽光照、風(fēng)力大小等自然條件變化的制約，熱能資源巨大，持續(xù)性良好。同時，由于無燃燒過程，使用過程更為安全可靠。

3）運(yùn)行成本低。由于干熱巖的熱能是“免費(fèi)”的，供暖系統(tǒng)運(yùn)行時僅有水泵、熱泵等較小的電耗。因此，干熱巖供暖的運(yùn)行費(fèi)用低于傳統(tǒng)的市政熱源、區(qū)域鍋爐房熱源。

4）可循環(huán)利用。干熱巖作為熱源連續(xù)使用20-30年后，可能會使巖石溫度降低到不便于繼續(xù)使用。但是，干熱巖井停止使用關(guān)閉后，地心的熾熱巖漿會重新加熱這些巖石。幾十年后，這些干熱巖會重新使用，實現(xiàn)周期性使用。

5）突破用地制約。干熱巖的使用過程無燃燒過程、無廢氣、廢液、廢渣等污染物排放。因此，機(jī)房位置較傳統(tǒng)的鍋爐房，約束減少，不需要設(shè)置煙囪等污染物排放裝置，減少了對建筑立面的影響。常用的單井干熱巖井的換熱器直徑尺寸為DN200，直徑較小，可以打在路邊、綠化帶等項目紅線內(nèi)的任何位置，對建筑地基無任何影響，地下無運(yùn)動部件。換熱孔地面蓋上井蓋，不占地、不影響建筑美觀。

1.3 儲藏情況

干熱巖儲量豐富。全球陸區(qū)干熱巖資源量相當(dāng)于4950 萬億tce，是全球所有石油、天然氣和煤炭蘊(yùn)藏能量的近30倍。中國大陸3～10 km深處干熱巖資源量約合856 億tce，占世界資源1/6 左右，干熱巖的巨大存量，使其有望成為戰(zhàn)略性接替資源。我國干熱巖資源廣泛分布于青藏高原、松遼盆地、渤海灣盆地、東南沿海等地。

從分布來看，青藏高原總資源量占中國大陸地區(qū)的20.5%，埋藏淺、溫度高、分布范圍廣，資源潛力大；東南沿海和華北地區(qū)中生代巖漿活動區(qū)，分別占8.2%和8.6%；東北地區(qū)占5.2%；云南西部地區(qū)干熱巖資源溫度較高，但分布面積有限［5］。

2017年，青海共和盆地3705 m 深處鉆獲236 ℃的高溫干熱巖體。2019年，山東省日照市莒縣、五蓮縣一帶和威海市文登區(qū)發(fā)現(xiàn)干熱巖的富存區(qū)，資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤總計超過187.79 億t。2022年，“青海共和盆地干熱巖勘查試采取得突破性進(jìn)展”位列“2021年度地質(zhì)調(diào)查十大進(jìn)展”之首［6］。

但是，我國目前還處于干熱巖靶區(qū)圈定和深井科學(xué)鉆探階段，雖然取得一定的突破和成果，但尚未開展干熱巖成熟的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)［7］。

2 案例分析

2.1 項目背景

2018年，陜西省政府發(fā)布《陜西省鐵腕治霾打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動方案（2018年—2020年）（修訂版）》，提出加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建清潔低碳高效能源體系。新增供暖全部使用天然氣、電、可再生能源供暖，禁止新建燃煤集中供熱站。同時陜西省內(nèi)多個地區(qū)陸續(xù)積極推進(jìn)清潔能源實際落，地運(yùn)用的工作方案和管理辦法。2021年，陜西省地質(zhì)調(diào)查院牽頭成立了陜西省地?zé)釁f(xié)會，查明了陜西省內(nèi)11 個市縣區(qū)的地?zé)崮苜Y源賦存地質(zhì)條件和基本特征，查明關(guān)中盆地中深層地?zé)豳Y源總量相當(dāng)于4610 億tce，為該省內(nèi)探明煤炭資源總量的3.34倍。

截至2022年2月，陜西省建成利用地?zé)崮芄┡ㄖ评洌╉椖?76處，面積3445萬m2，占全省城市集中供暖面積的9.8%。

政策的積極推進(jìn)和地?zé)豳Y源的不斷勘探使得諸多干熱巖供暖技術(shù)在陜西省各個地區(qū)獲得良好推廣。本文將以陜西省西安市某地區(qū)的干熱巖供暖項目為分析案例。

2.2 項目概況

本項目位于西安市，主要用途為綜合辦公樓，項目建筑面積6.6萬m2。地上建筑面積為4.48萬m2，地下建筑面積為2.12 萬m2。建筑高度97.6 m，地上28層，地下3層。其中，1層至4層為配套商業(yè)，5層至28 層為辦公，地下1 層為商業(yè)、后勤用房及車庫，地下2層至地下3層為機(jī)電用房及車庫。

2.3 項目能耗

項目的能耗采用模擬軟件HDY-SMD V4.0 計算，氣象數(shù)據(jù)源于GB50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)附錄A。空調(diào)設(shè)計熱負(fù)荷統(tǒng)計結(jié)果見表1。項目冬季熱負(fù)荷需求的時段為11月5日至次年3月20日。由表1可知，項目的空調(diào)熱負(fù)荷需求為2975 kW。

由圖4 可知，即使在項目的最大熱負(fù)荷需求所在的設(shè)計日的全天負(fù)荷變化較大，9:00-18:00 處于負(fù)荷需求高峰期，最大熱負(fù)荷需求出現(xiàn)在10:00，但其余時段熱負(fù)荷需求顯著降低，均在最高峰熱負(fù)荷需求的30%左右。

圖4 設(shè)計日24 h熱負(fù)荷變化

不同負(fù)荷段累積時間統(tǒng)計見圖5。

圖5 不同負(fù)荷段累積時間統(tǒng)計

2.4 項目設(shè)備配置表

本項目為一個建設(shè)公司獨立承建，商業(yè)、辦公均自持，為了節(jié)省投資成本，熱源機(jī)房集中設(shè)置、便于集中管理且節(jié)省機(jī)房面積。項目冬季熱源擬采用干熱巖為空調(diào)熱源，同時設(shè)置傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t熱源為參考方案。項目分析僅考慮機(jī)房一次側(cè)的主要設(shè)備選型及布置。

表1 項目空調(diào)熱負(fù)荷計算表

方案1（燃?xì)忮仩t方案）：空調(diào)熱源采用3 臺燃?xì)忮仩t。根據(jù)項目的不同建筑功能、高度，空調(diào)水系統(tǒng)分為三個支路，一路服務(wù)地下1 層到地上4 層的商業(yè)，一路服務(wù)地上5 層至16 層的辦公地區(qū)，一路服務(wù)地上17 層至28 層的辦公高區(qū)。每個水支路設(shè)置2 臺板式換熱器，一次側(cè)供/回水溫度為90 ℃/65 ℃，二次側(cè)供/回水溫度為60 ℃/45 ℃。見表2。

表2 方案1（燃?xì)忮仩t方案）主要熱源設(shè)備配置

方案2（干熱巖方案）：空調(diào)熱源采用干熱巖熱能，根據(jù)勘探評估，項目在紅線內(nèi)設(shè)置2個2500 m干熱巖換熱單井。水系統(tǒng)支路劃分同方案1（見表3）。

表3 方案2（干熱巖）主要熱源設(shè)備配置

2.5 綜合分析

2.5.1 運(yùn)維情況

方案1（燃?xì)忮仩t方案），空調(diào)熱水由燃?xì)忮仩t產(chǎn)生，即開即用，運(yùn)行簡單，運(yùn)維難度小。方案2（干熱巖方案），本項目方案的系統(tǒng)見圖6，設(shè)備及閥門啟閉情況見表4。當(dāng)用戶側(cè)負(fù)荷需求較低時，開啟直供模式，閥門V3、V4 開啟，閥門V5～V8 關(guān)閉，一次側(cè)熱水從熱源換熱器中直接換取60 ℃高溫水，循環(huán)至用戶側(cè)換熱器，將用戶二次側(cè)回水由40 ℃加熱至50 ℃，一次側(cè)熱水冷卻至50 ℃循環(huán)至熱源換熱器取熱，實現(xiàn)“免費(fèi)供熱”。當(dāng)直供無法滿足用戶側(cè)負(fù)荷需求時，二次側(cè)回收溫度降低，溫度傳感器反饋信號給系統(tǒng)，開啟熱泵模式，閥門V3、V4 關(guān)閉，閥門V5～V8 開啟，熱泵機(jī)組開啟，冷凍水回水30 ℃經(jīng)熱源換熱器升溫至36 ℃，循環(huán)至熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，熱泵冷凝水回水50 ℃經(jīng)由熱泵機(jī)組加熱升溫至60 ℃，循環(huán)至用戶換熱器釋熱，加熱用戶側(cè)二次回水，使其溫度由40 ℃升溫至50 ℃，供空調(diào)末端使用。方案2 運(yùn)行時雖然存在模式切換，較方案1 略難，但是切換思路明確，運(yùn)行模式較少，整體運(yùn)維并不高。

表4 方案2干熱巖供暖的控制表

圖6 項目干熱巖供暖原理圖

2.5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

能源費(fèi)用：本項目的天然氣價格為3.08元/m3，分時電價見表5。

表5 分時電價表

項目冬季集中供暖設(shè)備開啟時間為11月5 日至次年3月20日。項目建筑業(yè)態(tài)為辦公及商業(yè)，設(shè)定每天供暖時間為7:30 am-9:30 pm ，每日供暖14 h。經(jīng)濟(jì)綜合分析見表6。

表6 經(jīng)濟(jì)綜合分析表

干熱巖方案的設(shè)備采購費(fèi)用其實并不高，但是其鉆井施工費(fèi)用較高。在不考慮設(shè)備折現(xiàn)的前提下，靜態(tài)回收期年限為7.94年。

2.5.3 節(jié)能分析

根據(jù)《綜合能耗計算通則》GBT2589-2020［8］，本項目綜合能耗計算公式見式（1），熱源一次標(biāo)煤年消耗量見表7。

式(1)中，E——綜合能耗，kgce；

Ee——電消耗量，kWh；

e——煤 熱 值，5000 kcal/kg, 即5.814 kWh/kg;

η——發(fā)電效率，用電為熱電廠發(fā)電，火電廠發(fā)電效率取40%；

ke——電能的折標(biāo)煤系數(shù)，取0.7143 kgce/kg，即0.1229 kgce/kWh；

Eg——天燃?xì)庀牧浚琸Wh；

kg'——天燃?xì)獾恼蹣?biāo)煤系數(shù)，取1.215 kgce/m3,即0.1215 kgce/kWh（天然氣熱值36 MJ/m3）。

將兩方案的能耗都折算為一次標(biāo)煤，由表7 可知，方案1（燃?xì)忮仩t）年運(yùn)行消耗標(biāo)煤45.52 萬kgce，方案2（干熱巖）年運(yùn)行消耗標(biāo)煤9.50 萬kgce，采用干熱巖節(jié)能效果顯著，節(jié)能率達(dá)79%。

表7 熱源一次標(biāo)煤年消耗量

2.5.4 減碳分析

根據(jù)《 建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T51366-2019［9］，計算不同熱源方案的運(yùn)行階段碳排放，見式（2）。

式(2)中，CE——CO2排放量，tCO2/TJ；

EL——煤CO2碳排放因子，100.6 tCO2/TJ；

η——發(fā)電效率，用電為熱電廠發(fā)電，火電廠發(fā)電效率取40%；

EF——全年電耗量，TJ;

GL——天然氣CO2碳排放因子，55.54 t CO2/TJ；

GF——全年天然氣熱耗量，TJ。較方案1 燃?xì)忮仩t為空調(diào)熱源，采用干熱巖CO2的減碳率為63%。天然氣是清潔的化石能源，CO2排放量較傳統(tǒng)的化石燃料少，但是采用干熱巖為空調(diào)熱源，可以在采用清潔化石能源天然氣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少CO2排放。

2.5.5 對比匯總

CO2排放量見表8。

表8 CO2排放量

項目綜合分析見表9。

表9 綜合分析

干熱巖供暖系統(tǒng)較傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，機(jī)房面積需求增大40 m2，初投資費(fèi)用增加749.2 萬元，后續(xù)運(yùn)行費(fèi)用降低顯著，每年綜合運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用減少92.47 萬 元，每 年 一 次 能 源 減 少 消 耗36.02 萬kgce，減少比例達(dá)79%，CO2排放量減少476.53 t，減少比例達(dá)63%。機(jī)房面積需求雖有增大，但是易于實現(xiàn)，初投資費(fèi)用增幅巨大，經(jīng)濟(jì)性一般，CO2排放量降低幅度較大。從節(jié)能減碳角度考量，建議使用。

3 設(shè)計注意事項

干熱巖作為建筑采暖熱源，在項目設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

1）項目前期，應(yīng)由具有資質(zhì)的專業(yè)隊伍對項目所在地的干熱巖資源進(jìn)行地?zé)豳Y源勘探、地質(zhì)取樣與測試等多方面的調(diào)研評估，保證干熱巖的熱能儲備充足，實際出水溫度滿足設(shè)計要求，且使用期限可以達(dá)到設(shè)計年限，保證項目的經(jīng)濟(jì)可行。

2）為保障干熱巖井的取熱穩(wěn)定性，盡量減小干熱巖之前的取熱干擾，每口干熱巖熱源井之間應(yīng)當(dāng)保持盡量長的距離，單井置換井水平間距至少在15 m 以上。同時應(yīng)保障干熱巖基坑距離建筑主體外邊3 m以上，并應(yīng)通過專業(yè)復(fù)核，減少鉆井對建筑結(jié)構(gòu)的影響。

3）由于干熱巖井鉆井深度深，鉆井成本高。出于考慮供熱的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性雙重考量，建議聯(lián)合配置土壤源熱泵或者其他備用能源聯(lián)合供暖。

4）干熱巖井內(nèi)的換熱器選用時，應(yīng)注意優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)及材料，以保證達(dá)到良好的換熱效果，滿足項目供水設(shè)計溫度，同時注意換熱器的壽命和承壓能力滿足項目設(shè)計要求。

4 應(yīng)用前景

北方地區(qū)冬季清潔取暖不僅關(guān)系廣大人民群眾的生活質(zhì)量，又關(guān)系到國家“雙碳”計劃的落地實施。因此，迫切需要能區(qū)別于傳統(tǒng)的以燃煤鍋爐為主的供暖熱源在保障有冬季采暖需求的地區(qū)人民溫暖過冬的同時，減少大氣污染、減少碳排放。干熱巖就是切合這一需求的新的供暖熱源。干熱巖在國內(nèi)的相對豐裕的儲備量，結(jié)合本文的案例實際分析結(jié)果，表明干熱巖供暖系統(tǒng)具有良好的推廣前景。此外，干熱巖供暖系統(tǒng)的靈活性高，不僅適用于新建建筑，既有建筑改造也可以考慮。干熱巖系統(tǒng)所需的設(shè)備機(jī)房面積較傳統(tǒng)鍋爐房面積雖然有所增加，但增加面積有限、易于實現(xiàn)，干熱巖井的占地面積小，用戶末端供暖設(shè)備可以保持不變，具備既有建筑改造的良好條件。

隨著能源科技水平的不斷提升，干熱巖資源不斷被勘探發(fā)現(xiàn)，換熱器材料和結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級，施工工藝的優(yōu)化都將使得干熱巖昂貴的設(shè)備鉆井費(fèi)用降低，或獲得一定的政策補(bǔ)貼，使得干熱巖供暖系統(tǒng)這一低碳技術(shù)獲得更好的經(jīng)濟(jì)性，從而得到大量推廣。

5 結(jié)論

1）干熱巖是一種低碳環(huán)保的供暖熱源，具有安全穩(wěn)定、可循環(huán)利用、突破用地制約等諸多優(yōu)點。干熱巖資源主要分布在青藏高原、東南沿海和華北等地區(qū)，資源儲備量豐富。但是國內(nèi)尚未開展成熟的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)。

2）以西安某綜合辦公樓為案例，分析對比了燃?xì)忮仩t、干熱巖供暖兩種不同的冬季供熱的熱源在機(jī)房面積、初投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用情況、節(jié)能率、CO2排放量等方面的不同。對比結(jié)果可知，干熱巖供暖面積較傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t，機(jī)房面積雖有增加但增幅并不大易于實現(xiàn)，鉆井施工費(fèi)用昂貴導(dǎo)致初投資費(fèi)用高。但是具有節(jié)能效果顯著、低碳排放、運(yùn)行費(fèi)用低等諸多優(yōu)點，建議在保證干熱巖供熱溫度且符合設(shè)計使用年限時，可考慮使用。

3）干熱巖供暖靈活性高，不僅適用于新建建筑，在既有建筑改造中也可以使用，隨著技術(shù)的不斷提升，或者有相關(guān)政策補(bǔ)貼的情況下，經(jīng)濟(jì)性可以獲得改善，未來具有良好的應(yīng)用前景。