中深層地熱能干熱巖技術及應用研究

李 陽，賀國華，張 旭，徐 強，李壯壯

（中建方程投資發展集團有限公司西北分公司，陜西 西安）

引言

我國能源結構以傳統化石能源為主，煤炭占比較大，導致較嚴重的環境污染和碳排放問題。西咸新區發展快，供熱配套發展滯后，供需矛盾突出，但地熱資源豐富，適合作為建筑供暖的熱源。“雙碳”目標背景下，中深層地熱能（干熱巖）作為一種清潔的可再生地熱資源，在過去40 年里, 干熱巖的利用技術日趨成熟，顯現出了巨大的商業價值。

地熱能分為淺層、中層、深層地熱資源。淺層地熱能利用熱水回灌成本大，大面積開采會出現地熱水位下降。由于長期開采地下熱水，西安、咸陽、渭南已經形成大面積降落漏斗，水位和水溫均難以恢復，導致地面沉降和地質災害。西安市區范圍內由于抽取地下水引起地裂縫和地面形變，不再允許采用取水型地熱井的開發利用[1]。

本研究采用取熱不取水的中深層地埋管換熱技術，符合我國綠色發展、低碳發展和循環發展的市場導向和國家相關產業政策，有利于實現“雙碳”目標，具有良好的生態效益和社會效益。

1 西安灃東地區地熱資源分析

甘肅、陜西、山西、河南、河北、天津五省一市屬于集中供熱需求與地熱資源匹配度非常好的區域，基本處于膠遼地熱帶和渭河盆地，地溫梯度較好，大多數區域超過3 ℃/100 m。同時很多區域打井成本較低，成井難度低、風險小。陜西單位面積熱儲量關中盆地位居全國首位，僅關中盆地總熱量可供暖面積為8.84億m2。

西安灃東灃和苑項目在區域上為汾渭盆地之關中渭河斷陷盆地的中部，不同規模不同走向基底斷裂發育已知有百余條，尤其深斷裂帶斷距達數千米，繼承性活動較強烈，傳導深部熱量性能好，大量資料表明渭河斷凹是陜西地熱資源富集地帶。項目所在地西安凹陷區內大地熱流在63.4～77.5 mW/m2區間，平均值為70.68 mW/m2，高于全國及西北地區平均值。區內已成地熱井取水段中點平均地溫梯度值為3.18～3.84℃/100 m，高于地球平均地溫梯度3 ℃/100 m，具備使用中深層地埋管供熱的基礎條件[2]。

2 換熱原理與模擬模型

2.1 換熱原理

項目采用同軸套管換熱系統，該技術主要是在鉆井內安裝同軸套管，在套管的外壁和周邊地層之間灌入水泥砂漿，以保證套管和巖石之間的接觸和傳熱。液、氣體與固體之間的熱傳遞除對流傳熱以外，還常常伴隨著熱傳導。在外套管中注入的冷水在下降過程中被周邊的地層加熱升溫，熱水到達套管底部后進入內管再次向上移動，從而用于建筑末端供暖[1]。供熱冷卻之后的循環水再次進入地下換熱循環，形成一個閉路結構，并通過大溫差熱泵機組系統向末端供熱的技術。同軸套管換熱器原理如圖1 所示。

圖1 同軸套管換熱器原理

2.2 幾何模型

建立同軸套管換熱器幾何模型[3]，埋深2 500 m，直徑178 mm，模型幾何參數如表1 所示。

表1 模型幾何參數

2.3 網格劃分

使用icem 軟件對幾何模型進行網格劃分，劃分網格采用四邊形結構化網格，采用由面到體的劃分方式，對端部及內外套管換熱邊界處網格進行了局部加密，模型的網格數量為216 萬，保證網格質量。網格劃分情況如圖2 所示。

圖2 網格劃分

2.4 邊界條件

地下巖體區域的參數設置如下：根據溫度梯度取值，編寫自定義函數UDF，巖土溫度梯度為2.6 ℃/100 m，熱井最深處溫度為80 ℃。導熱系數為2.5 W/(K·m)，計算過程中地表及計算區域底部都設為定溫邊界，其溫度始終與初始溫度相等。將模型導入Fluent 軟件進行數值模擬，設置為穩態，湍流模型采用k-epsilon 模型，選用標準壁面函數法，壓力速度耦合選用Simple 算法。邊界條件設置中，速度入口設置為“magnitude normal and boundary”（垂直速度入口），幾何模型上表面設置為“heatflux”（熱通量）型wall；內管內壁面、外壁面和外管內壁面均設置為“couple”（耦合型）wall[4]；巖土外壁面引入UDF，設置為溫度隨溫度梯度變化的界面。設定管子側面及端部壁面為無滑移邊界，粗糙度常數為0.5。材料導熱系數如表2 所示。

表2 材料導熱系數

2.5 收斂設定

定義收斂條件，除能量的殘差值外，當所有變量的殘差值都降到低于1e-05, 能量的殘差絕對值的收斂標準小于1e-10。如圖3 所示，當殘差曲線所顯示出來的監控曲線趨于平穩，可以判定殘差曲線得到收斂，已經得到了數值計算的解。

圖3 模擬收斂圖

3 模擬結果

由模擬得到的圖4 換熱管端部流線矢量圖可以看出，在管道端部的流體由外管向內管轉向處，流速最高。受地溫梯度影響，土壤隨著深度越深，溫度逐漸升高。流體從外套管入口到內套管出口，溫度逐漸上升，流體被加熱后，從內套管回流至地面。

圖4 換熱器端部的流線矢量圖

根據模擬結果，當流速為0.06 m/s，入口溫度為15 ℃時，單管換熱量為370 390.6 W，出口溫度為24℃。

4 環保性分析

4.1 設計方案

西安灃東灃和苑項目總建筑面積為45.12 萬m2，地上建筑面積為35.8 萬m2，具有外墻外保溫和屋頂保溫系統，供熱指標為40 W/m2，總熱負荷為14 331 kW。采用中深層地熱作為基礎供熱熱源，電輔熱為備用、調峰熱源。本項目設置一個供熱站，供熱站布置在負一層地下室，占地面積580 m2，其中地熱主機房：435 m2，要求凈高4.5 m；配電室面積：145 m2，供熱站用電負荷5 800 KW。

無干擾中深層地埋管換熱孔一般孔井可解決2～4 萬m2建筑的采暖需求；項目設計中深層地熱地熱孔數量12 口，中深層地熱換熱器數量12 套，地熱孔有效深度2 500～3 200 m，地熱孔孔徑約200 mm。供熱能力能夠保障小區供熱需求。

4.2 節能減排效果

西安灃東灃和苑項目供暖全年耗熱量經計算為111 055 GJ。

采用地熱項目與燃煤供熱項目排放對比，如表3所示。

表3 采用地熱項目與燃煤供熱項目排放對比

使用地熱能供暖，一個采暖季（4 個月）相比燃煤鍋爐供熱能減少二氧化碳排放量約8 016 t，減少二氧化硫排放量約112 t，減少氮氧化物排放約26 t。

該項目對于推動西咸新區地熱能清潔取暖技術發展、能源結構轉型升級、改善大氣環境及治污減霾、實現碳達峰及碳中和目標，具有重要的推廣應用價值。

5 結論

本文建立了中深層地埋管換熱器與巖土的穩態換熱模型，并得出了其數值模擬的流場及溫度場情況。結合西安灃東灃和苑項目，提出供暖設計機房及地埋管換熱孔方案。從環保性出發，計算全年耗熱量，使用地熱能供暖，一個采暖季（4 個月）相比燃煤鍋爐供熱能減少二氧化碳排放量約8 016 t，減少二氧化硫排放量約112 t，減少氮氧化物排放約26 t。