水熱型中深層地熱在熱源廠的應用分析

杜可心，杜彩肖，焦時飛

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 引言

習近平總書記在二十大工作報告中指出：“我們要推進美麗中國建設，堅持山水林田湖草沙一體化保護和系統治理，統籌產業結構調整、污染治理、生態保護、應對氣候變化，協同推進降碳、減污、擴綠、增長，推進生態優先、節約集約、綠色低碳發展。 ”地熱能是我國能源供應體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分， 目前全國多地已出臺相關措施推動地熱能科學有序開發利用。

水熱型中深層地熱作為可再生能源，具有供熱量高、無污染、經濟效益顯著等特點，目前廣泛應用于供暖系統，主要應用在用戶側能源站，通過熱泵機組采用梯級利用的方式，直接供應中溫熱水到用戶末端。 本文在用戶側能源站已充分利用地熱資源的基礎上， 將水熱型中深層地熱應用在集中供熱的熱源廠， 進一步加大可再生能源的利用、 降低化石能源的消耗，達到節能減排的目的。

2 項目概況

本項目位于華北北部，為寒冷地區。 片區內規劃建設熱源廠1 座，總供熱面積336.57 萬m2，供熱范圍包括住宅用地、居住配套用地、基礎教育用地、醫療衛生用地、科研用地、商業用地等，均為規劃新建建筑。

2.1 項目熱負荷

項目熱負荷為冬季采暖熱負荷，不包含生活熱水負荷。

項目選用規劃指標法進行熱負荷的估算。 根據片區上位規劃，規劃新建建筑均滿足當地節能設計標準。 根據規劃的地下空間情況以及地塊開發單位提供的熱負荷資料， 僅在科研用地內考慮部分地下采暖熱負荷。

項目的熱負荷統計情況見表1。

表1 項目熱負荷計算表

2.2 年供熱量

根據熱負荷、 采暖時間和氣象參數估算本項目采暖年供熱量。

年平均氣溫：12.9 ℃。

供暖期室外設計溫度：-7.0 ℃。

供暖期日平均溫度：-0.5 ℃。

日平均溫度≤5 ℃的天數：119 d。

根據室外溫度下的小時熱負荷及延續小時數繪制采暖熱負荷曲線圖（見圖1），對年供熱量進行估算。

圖1 熱源廠采暖熱負荷曲線圖

3 地熱資源條件

根據地熱資源評估報告， 地熱資源來自薊縣系霧迷山組熱儲，打井深度約2 000 m，平均出水溫度65 ℃，平均出水流量100 m3/h。薊縣系熱儲具有熱儲空間展布、孔隙度發育較高、熱儲開發潛力大、熱儲回灌能力強的特點[1]。

根據GB 55010—2021《供熱工程項目規范》，采用地熱能供熱時，地熱尾水排放溫度不應大于20℃。為了保證地熱資源的可持續開采，本項目回灌溫度按照20℃進行計算。

熱源廠所在地塊為規劃建設用地，采用造斜井方式，保證開采井和回灌井的井底間距≥500 m 時，可設置開采井1～2孔。最終開采井布置孔數還需結合熱源廠的裝機容量， 通過分析確定。

4 熱源廠建設方案

4.1 技術路線

熱源廠旨在輸送高溫熱水至用戶側能源站或換熱站進行換熱。 為了最大化利用區域內的可再生能源，用戶側能源站已根據周邊資源條件和末端用戶的負荷特性， 耦合了中深層地熱熱泵、淺層地熱熱泵、污水源熱泵承擔基礎熱負荷，熱源廠作為調峰熱源。 區域供熱技術路線見圖2。

圖2 區域供熱技術路線圖

4.2 設計方案

由于熱源廠率先建設，以保證下游部分地塊的用能需求，同時為了保證供熱系統的安全穩定性， 熱源廠主機設備選型不扣除用戶側能源站的可再生能源裝機熱負荷， 按照區域100%熱負荷進行設計，建設單位可根據下游用戶的開發情況和用戶側能源站的建設情況，考慮熱源廠主機設備的分期建設。

熱源廠供熱系統見圖3。 熱源形式包括燃氣熱水鍋爐、吸收式熱泵（補燃型）、水熱型中深層地熱。 水熱型中深層地熱通過梯級利用，加熱一次管網回水，提高回水溫度，達到節省燃氣的目的。

圖3 熱源廠供熱系統簡圖

考慮到中深層地熱熱泵機組的效率， 適宜的出水溫度在45～55 ℃，故中深層地熱熱泵機組的溫度（即市政熱網回水溫度）不宜超過50 ℃；根據CJJ/T 34—2022《城鎮供熱管網設計標準》，當熱源廠為熱電廠或區域鍋爐房時，設計供水溫度宜取110～150 ℃，回水溫度不應高于60 ℃。 綜上確定本項目的設計供回水溫度為110 ℃/50 ℃。

4.3 燃氣鍋爐和吸收式熱泵裝機

燃氣熱水鍋爐共設計3 臺，分別為2 臺46 MW 鍋爐和1臺29 MW 鍋爐。

吸收式熱泵主要用來回收鍋爐煙氣余熱，余熱回收越多，熱泵投資越大。 根據熱負荷延續曲線，鍋爐并非一直滿負荷運行，故吸收式熱泵無須按照鍋爐滿負荷最大余熱回收量選取。一般情況下，鍋爐煙氣余熱量占鍋爐容量的6%～11%[2]，本項目參考以往已實施項目經驗， 吸收式熱泵按照鍋爐滿負荷的6%計算煙氣余熱量，吸收式熱泵COP 取1.6。本項目吸收式熱泵共設計2 臺，單臺供熱量（含補燃供熱量）為9.4 MW。

綜上，熱源廠設計供熱能力為139.8 MW。

4.4 中深層地熱的梯級利用

根據熱源廠的選址條件，本項目采用造斜井方式，保證開采井和回灌井的井底間距≥500 m， 最大可設置開采井1～2孔，暫按設置1 口開采井進行供熱量的計算。

4.4.1 一級板換

一級板換采用地熱水直供換熱，一次側進出水溫度65 ℃/55 ℃，二次側進出水溫度55 ℃/50 ℃。 根據換熱量計算公式[3]，一級板換供熱量Q1為1 163 kW。

4.4.2 中間板換+中深層地熱熱泵

中間板換一次側進出水溫度55 ℃/20 ℃， 二次側進出水溫度35 ℃/27 ℃。 二次側的中介水作為中深層地熱熱泵機組的熱源，熱泵機組供回水溫度為55 ℃/50 ℃。 中深層地熱熱泵機組制熱COP 取5.0，根據換熱量計算公式，中深層地熱熱泵機組供熱量Q2為5 088 kW。

4.4.3 中深層地熱井數量的設計

燃氣熱水鍋爐和吸收式熱泵總裝機為139.8 MW，按照設計供回水溫度110 ℃/50 ℃，計算得總循環流量為2 004 t/h。

熱源廠內設置1 口開采井時， 中深層地熱系統的總供熱量（Q1+Q2）為6 251 kW，用于加熱市政管網的回水，熱泵設計供回水溫度55 ℃/50 ℃，計算得循環流量為1 075 t/h。 此時若設置2 口開采井，則設計循環流量為2 150 t/h，則大于一次供熱管網的設計流量。

目前部分品牌的熱泵機組， 冷凝器側的溫差可以做到8～10 ℃溫差， 此時設計循環流量減少， 可選擇設置2 口開采井，但還需結合蒸發器側的溫度、壓縮機的形式、COP 等因素綜合確定。 由于冷凝器側溫差加大，中深層地熱熱泵出水溫度增高3～5 ℃，主機COP 降低，還需進一步核實吸收式熱泵機組的參數，煙氣熱泵進/ 出口水溫均增大，同樣會降低煙氣熱泵設備的能效。

本項目考慮到中深層地熱打井成本、 片區內整體熱儲開采量以及上述因素，選擇設置1 口開采井和1 口回灌井，保證100%回灌的情況下，可充分利用地熱能進行供能，即初末寒期和嚴寒期均按照設計取水量運行。

5 節能情況分析

項目100%達產后，熱源廠年供熱量約65.30 萬GJ。 中深層地熱系統整個采暖季均處于滿負荷的運行狀態，能夠充分利用地熱資源，年供熱量約6.42 萬GJ，占比9.8%。 按照燃氣熱水鍋爐和吸收式熱泵整體熱效率96%、 燃氣熱值35.16 MJ/m3（標準大氣壓）計算，年節約燃氣消耗量190.2 萬m3（標準大氣壓下），折合標煤230.96 萬t（標準煤當量）。

6 結論

本文結合工程設計實例， 對水熱型中深層地熱在熱源廠的應用進行了技術路線分析、設計方案分析、裝機選型以及中深層地熱的梯級利用分析，主要結論如下。

1）水熱型中深層地熱應用在熱源廠，用于加熱市政管網的回水技術可行，但對熱源廠的規模有一定的要求。 熱源廠規模過小， 則存在流量不匹配的情況， 不能夠充分利用地熱資源，造成投資成本增加，運營費用減少不多的局面。

2）水熱型中深層以“用熱不用水”為原則，地熱尾水需100%回灌，合理設計回灌溫度，保障地熱資源的可持續性利用。

3）本項目設計方法可應用于既有燃氣鍋爐房的節能改造，達到節能減排、節約運營成本的目的。