天津中医药大学新校区地热资源综合利用研究

王冰，夏雨波，刘东林，宗振海，张森

（1.天津地热勘查开发设计院，天津300250；2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170）

能源和环境是当今人类面临的两大问题。随着我国人民生活水平的不断提高和各项事业的迅速发展，能源紧缺问题日益得到广泛的关注，而石油、煤炭等传统能源的消耗带来了严重的环境污染，因此，研究能源和环境问题又迫在眉睫[1]。近年来，地热能、太阳能等作为环保、清洁、可循环利用的资源受到了社会的青睐，发展尤为迅速[2]。天津市蕴藏着丰富的中低温地热资源[3]，具有丰富的可再生能源优势，因此综合利用地热资源和其他可再生能源成为地热资源开发利用研究的一个新的方向[4,5]。地热资源综合利用是以地热资源为核心，结合太阳能、燃气锅炉等资源，将各能源的优势有机结合，优化利用，提高能源利用效率，以满足区域供热与供冷等负荷需求。地热资源综合利用能够根据各能源的特点，充分发挥各种能源系统在各自最佳节能区间的使用效率，做到最大化节能，从而达到促进区域经济发展和保护生态环境的目的。因此，地热资源综合利用是以地热资源为核心，结合太阳能、燃气锅炉等资源，将各能源的优势有机结合，优化利用，提高能源利用效率，以满足区域供热与供冷等负荷需求。地热资源综合利用能够根据各能源的特点，充分发挥各种能源系统在各自最佳节能区间的使用效率，做到最大化节能，从而达到促进区域经济发展和保护生态环境的目的。因此，研究多种能源综合利用，对促进能源结构的完善、生态环境的改善和社会的可持续发展等都有十分重要的意义。本文以天津中医药大学新校区供热能源站为例，介绍能源站采用深层地热、浅层地热、太阳能和燃气等多种能源综合利用的供热系统，并进行效益评价。从能源综合利用的角度为地热资源的合理开发利用和保护提供依据，为多种可再生能源集成和北方地区建设“无烟校区”提供示范作用。

1 资源条件

能源站坐落于天津市静海区团泊湖畔健康产业园区内，占地2 600余亩，建筑面积60余万平方米。供暖面积约34.59万m2。能源站具有丰富的外部资源条件。

1.1 地热资源

能源站于2013年开凿了两眼寒武系地热井，地热井编号为JH-14和JH-14B，其中，JH-14为四开定向井，JH-14B为四开直井，成井深度分别为3 039.78 m和1 946.76 m（表1），两眼井主要用于能源站的冬季供暖。

JH-14井和JH-14B井构造位置处于Ш级构造单元沧县隆起之Ⅳ级构造单元双窑凸起的中部偏西位置，双窑凸起位于沧县隆起南部，西以天津断裂为界与大城凸起相邻，东以白塘口西断裂为界与白塘口凹陷相接，总体为一走向北北东，倾向北西西的单斜构造，基岩面为奥陶系、寒武系和中新元古界，基岩顶板埋深为1 000～1 200 m。研究区内主要发育有天津断裂（图1）。

表1 能源站地热井情况表Tab.1 List of geothermal wells in the energy station

1.2 太阳能资源

天津地区的太阳总辐射强度较高，天津市气象台获取的地区太阳能资源情况表明，近30年平均太阳总辐射为5 966 MJ/m2，最多的年份达6 409.7 MJ/m2（1983年），最少的年份为5 400.4 MJ/m2（2003年），相差1 000 MJ/m2。从典型年的分析来看，天津的太阳总辐射具有很好的利用价值。通过分析近30年来天津太阳总辐射特征，按照中国太阳能资源的区划标准[6]属于ⅡC/X（5/7）h，天津属于太阳能资源较丰富带（Ⅱ）；这里日照时数≥6小时天数出现最多的季节是春季（C），最少的是夏季（X）；5月份是太阳能利用天时最多的典型月份，7月份是太阳能利用天数最少的典型月份；一天中利用太阳能最有利的时段是下午（h）。因此，天津太阳能资源具有良好的开发前景。

图1 JH-14、JH-14B地热井构造位置图Fig.1 Structure location of the JH-14 and JH-14B geothermal wells

1.3 其它资源

能源站的地源热泵系统适宜性分区属于Ⅱ级适宜区，水文地质条件、温度场及热物理性质条件中等，较利于地埋管地源热泵系统的开发应用，适于开发浅层地热资源。能源站的西北方向有城市天然气，能源站内设置调压站和燃气调压箱各一座，调压站占地面积42 m2，调压箱占地面积8 m2，已经完成和燃气部门的对接，可以满足能源站需求。能源站配有全套变电站设备，35 kV电源引自北洋110 kV变电站和迎丰220 kV变电站，能源站电力满足需求。

2 工艺流程介绍

能源站具有丰富的可再生能源优势，充分利用了浅层和深层地热、太阳能等可再生能源，由单一能源向多种能源综合利用发展，增加能源利用的灵活性、节能型、安全性。该能源站结合国家的能源政策及绿色国家建设目标，利用先进的、成熟的、可行的技术，通过优化设计、系统集成、运行管理等措施，在能源系统全生命周期内实现绿色、环保、生态、安全、可再生能源利用、节能、节省投资的目标。

能源站结合项目冷热负荷分析，项目区域具备的能源资源，能源需求和特点等，将能源方案确定为地热流体梯级利用水源热泵系统+地源热泵系统+太阳能生活热水系统+地热井水储热换热系统+燃气热水锅炉调峰补热系统的多种能源综合利用系统（图2），能源站提供建筑冷负荷17 805 kW，热负荷27 471 kW，生活热水热负荷3 000 kW[7]。

2.1 水源热泵系统

地热资源梯级开发利用的关键技术和理念完全基于不增加地热开采量，通过发挥地板辐射采暖的优势，利用先进的节能型热泵技术，自动化控制系统等手段，合理调配整体能源配置和供能比等关键技术。

图2 能源站工艺流程图Fig.2 Process flow diagram of the energy station

该项目利用已开凿完成的一对地热井（JH-14、JH-14B），建立梯级利用水源热泵系统，采用二级换热，出水温度降至8℃。一级利用后，二级水源热泵机组水源侧采用串联连接，该方案可增加第一台水源热泵机组能效13%，降低水源侧水泵流量50%，节能效果显著。热泵系统提供热量8 790 kW，提供冷量4 955 kW，冷量不足部分设单冷水机组供冷，冷水机组提供冷量4 200 kW。

2.2 地源热泵系统

在能源站中心岛的水底和室外球场设置井深120 m、双U型管的地埋管换热器，选择水为传热介质，共设置1 924个地下竖直地埋管换热器。夏季换热井温度为25～30℃，冬季换热井温度为5～10℃。土壤热响应测试另行委托测试单位进行。西区能源站夏季向地埋管放热，放热温度30～25℃，冬季从地埋管取热，取热温度为5～10℃。室外地埋管干管为异程式支状管网布置，组团干管为同程式布置，系统工作压力0.80 MPa，试验压力1.20 MPa。在每个地埋管组团设地温场检测系统，控制系统冬夏季的冷热平衡。地源热泵系统提供热量9 920 kW，提供冷量8 650 kW。

2.3 燃气锅炉调峰系统

设置模块化燃气热水锅炉，提供热量7 860 kW，采用模块化设置利于逐台投入运行，避免能源浪费。以较小的投资保证了任一种能源系统发生故障或出现极端天气及连续雾霾和阴雨雪天气时能源的供给，以低投入高产出的能源形式，大幅度提升了能源系统的安全性。燃气锅炉采用模块化直流式燃气（天然气）热水锅炉，单台锅炉的热负荷为0.657 MW，热效率≥92%。

2.4 太阳能生活热水系统

在建筑屋顶设置太阳能生活热水系统，秋分日每天产50℃生活热水80 t，集热面积1 585.6 m2，供水时间为24 h，采用全玻璃真空管型太阳能集热器。同时在能源站地下室设20 t储热水箱利用夜间热负荷减少时旁流地热井水进行换热储热，采用太阳能和地热井水换热二种可再生能源保证生活热水需求，极端天气时开启燃气锅炉换热。

2.5 自动化控制系统

能源站地热换热站系统的监视、控制和保护将以分散控制系统（DCS）为主，辅以少量的其它控制系统完成。地热换热站设置DCS系统，可以动态实时监控供水泵、循环泵及加压泵、调峰热泵机组、传动装置及电动阀门、电动调节阀门等，根据供热供水的具体工况随时调整，实现全过程的自动在线控制从而控制地热井的开采回灌量，使系统的运行经济、稳定。所有管理操作站均采用标准WEB浏览器界面，具有统一的操作界面和同等使用功能，能实时动态显示系统所集成的各子系统经授权选择的设备工作状态及报警信息，授权显示及设定各种参数值。自动控制系统具有使用简便灵活、多窗口显示和系统安全等特点。

3 效益评价

能源站将为北方地区老校区改造和新校区建设成为“无烟校区”提供示范作用，成为天津市乃至全国示范工程，可以为节约型校园建设、多种可再生能源集成进行示范。

能源站建成地热资源梯级利用水源热泵系统、地源热泵系统、太阳能生活热水和地热井水夜间换热储热系统、燃气锅炉调峰系统等多种绿色、环保、可再生能源综合利用系统，充分发挥各种能源系统在各自最佳节能区间的使用效率，做到最大化节能，在满足需求的前提下最大限度地保护了环境。实现地热水梯级利用，降低尾水温度，提高地热水的利用率，节约了地热资源，实现矿产资源的保护性开发，为地热资源的可持续开发利用创造了条件，产生了良好的社会效益。

能源站系统的年总运行费用为791.61万元，单位面积运行费用为25.87元，与几种常规供暖方式（除煤以外）相比，地热供热结合热泵技术具有较大的经济优势。

能源站可再生能源利用率66.4%，生活热水系统可再生能源利用率80%，极端天气时开启燃气锅炉。供暖空调系统每年可节约标准煤4 206 t，与燃煤供热相比每年减少向大气中排放的二氧化碳、二氧化硫等气体及煤灰碴共10 587 t，每年可节省环境治理费用约116.98万元，环境效益显著[8]。

4 结论及建议

（1）能源站采用多种可再生能源综合利用系统，充分发挥各种能源系统在各自最佳节能区间的使用效率，做到最大化节能，供热面积为34.59×104m2；通过增加热泵机组，提高了地热资源的梯级利用水平，地热尾水回灌温度为8℃。

（2）能源站每年可减少向大气中排放的二氧化碳、二氧化硫等气体及煤灰渣共10 587 t，每年可节省环境治理费用116.98万元，具有显著的社会、经济和环境效益。

（3）该项目的建设的工艺原理、工作方法、技术要求及管理经验可作为同类型工程建设的典范，本工程可以为节约型校园建设、多种可再生能源集成进行示范。

[1]鹿清华，张晓熙，何祚云.国内外地热发展现状及趋势分析[J].石油石化节能与减排，2012，2（1）:39-42.

[2]Ucar A,Inalli M.Thermal and economical analysis of a central solar heating system with underground seasonal storage in Turkey[J].Renewable Energy 2005，（30）:1005-1019.

[3]刘杰，宋美钰，田光辉.天津地热资源开发利用现状及可持续开发利用建议[J].地质调查与研究，2012，35（1）:67-73.

[4]王帅杰.新乡市地热资源综合利用的研究[D].南京理工大学,2012.

[5]徐立.江苏地区地热资源综合利用研究[D].南京大学,2014.[6]王炳忠.中国太阳能资源利用区划[J].太阳能学报,1983,4（3）:221-225.

[7]天津地热勘查开发设计院.天津中医药大学新校区地热资源综合利用示范工程建设专题报告[R].天津：天津地热勘查开发设计院，2017.

[8]关锌.地热资源经济评价方法与应用研究[D].中国地质大学，2013.