阜阳地区地热水资源梯级开发利用效率分析——以阜阳市某医院为例

梅应春，李倩玉，王晨晨，王亚莉

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

1 地热水开发利用现状

地热资源是指在当前地质环境和技术经济条件下能够成为人类开发利用的地热能、地热流体及其有用组分[1]。地热资源集热、矿、水为一体,除可以用于地热发电以外,还可以直接用于供暖、洗浴、医疗保健、休闲疗养、养殖、农业种养植、纺织印染、食品加工等方面[2]。地热能已成为继煤炭、石油之后重要的替代型能源之一,也是太阳能、风能、生物质能等新能源家族中的重要成员,是一种无污染或极少污染的清洁绿色能源。

阜阳盆地热储层属封闭型，多呈层状，分布较稳定，下部有大地热流传导，上部被巨厚不透水的盖层覆盖，周边受断裂制而陷落为盆地。由于热储层产状平缓，储层内的地下热水径流滞缓，又因不透水的盖层覆盖，得不到大气降水和地表水的补给，(局部可能有微弱降水补给)，水交替极微弱，几乎处于封闭状态，是天然的良好热储存构造。区域地下热水温度和单井涌水量差异不大，水化学类型相似，常为Cl-Na型，具有极大的规模开采利用潜力[3-4]。

目前，地热水开采和开发利用技术手段都相对成熟，但如何提高地热资源的利用率，降低回灌温度以及保证地热水的完全回灌是地热利用中急需解决的问题。水源热泵的梯级利用技术可以有效的解决上述存在的问题，以达到地热水高效利用的目的[5]。

2 实例分析

2.1 工程背景

2.1.1 工程概况

阜阳市某医院，位于阜阳市城北新区、紧临老泉河风景带，占地125亩，建筑物总面积13.52 m2，需要空调和采暖的面积为13.52万 m2。采用冬季制热全从地热水中提取、夏季全由冷却塔制冷方案为该医院提供整体的冬季供暖和夏季制冷。

2.1.2 区域水文地质条件

阜阳地区属淮北平原西北部，全区为800～1 500 m厚的新生界松散层所覆盖，下伏华北地层区淮河地层分区淮北地层小区。区域主要含水层为：

1)“浅层+中深层”地下水

包括0～50 m深度范围内的孔隙潜水和50～150 m范围内的孔隙承压水；0～50 m深度范围内的孔隙潜水，富水性好、补给条件好，现状动态为入渗～蒸发型，地下水水位年变幅为1.0～3.0 m，现状区域上开采利用程度低、城区范围内基本不开采；50～150 m范围内的孔隙承压水，该层组富水性好、补给条件较好，与上覆孔隙潜水的水力联系密切；该层是区域主要开发利用层位之一，城区范围内处于超采状态且全划为二级限采区。

2)深层地下水

深层地下水主要是分布在150～800 m范围内的孔隙承压水，该层组富水性好、补给条件较差，与上覆孔隙承压水的水力联系差；该层是区域主要开发利用层位之一，城区范围内处于超采状态，老城区范围现划为一级限采区、城区全划为二级限采区。

3)深层地热水

本工程以150 m以浅的“浅层+中深层”地下水、1 000～1 500 m的深层地热水为地热水开发利用目标含水层组。

图1 水源热泵空调系统工艺流程图

2.1.3 水源热泵原理

水源热泵是将地下水作为热量载体，来获取对建筑物内环境温度的调节。影响热泵需水量主要因素，有建筑物所需冷、热负荷量，机组工况及地下水体的热物理条件。

地下水水源热泵工艺流程，首先是地下水源热泵在夏季将抽出的地下水，通过封闭管路经热泵机组，温度较低的地下水在循环中“被加热”(间接地将房间空气中的温度转移到地下水中)，再返回到含水层中，由此实现夏季制冷；冬季相反，工艺流程图参见图1。

2.2 方案设计

2.2.1 负荷设计

本次冷暖联供的建筑物总面积13.52万 m2；据区域气候条件、建筑物节能特征等，《阜阳某医院地热梯级利用系统方案》计算了各建筑物负荷值(含新风负荷)，见表1。

表1 设计负荷统计表

由表1可知，本工程设计总负荷：夏季制冷负荷13 830 kw，冬季供热负荷9 560 kw。

根据工程所在地段水文地质条件、区域地下水资源管理要求，结合本工程空调系统运行特点，本着“技术可行、经济合理”的原则，从节能减排的角度，将本工程空调系统方案为：以地热水冬季供热、冷却塔夏季制冷为基础，辅以“浅层+中深层”地下水源热泵调节。

建筑物冷热负荷设计值，均按最不利气温条件的计算结果。据区域气象条件，冬季供暖期，在40%左右的气温相对较高的天数里，使用负荷只有设计值60%以下；夏季制冷期，高于负荷设计值60%的较不利高温天数占30%左右。也即，在需要供暖与制冷60%～70%天数里，实际负荷量只有设计量的40%。

在负荷设计值>60%使用天数内，实际需要的负荷为基础负荷；则，夏季制冷基础负荷量5 500 kw、冬季供热基础负荷量约3 850 kw。

基于经济合理性，按一套系统同时实现夏季制冷与冬季供暖(冷暖联供)设计。

就本实例而言，基于现状出水量与水温的实际条件，2对热水井不变；利用“浅层+中深层”地下水源热泵，调节供暖峰值负荷。

利用该医院地热梯级利用系统方案中地热水取热技术，2对4口热水井，可提供热能6 000 kw；本工程冬季供热总负荷9 560 kw，则需要“浅层+中深层”地下水源热泵供热量为3560 kw(接近基础负荷量3850kw)。

2.2.2 地热水需水量计算

“浅层+中深层”地下水源热泵供热量为3 560 kw，该医院所在区域，“浅层+中深层”地下水水温为18℃～21℃；取热时，地下水水温按偏低的18℃计，回灌到含水层中的水温按3℃计(回灌过程不结冰即可)，提取热量的温差为15℃；则，需开采“浅层+中深层”地下水的水量为：需水用量=(制热量-机组输入功率)×0.86/温差地下水源热泵机组的制热能效比COP(制热量/制热消耗功率)，一般可达5.5～6.0(从偏安全角度，按5.5计算)；

机组输入功率≈0.7×制热消耗功率；则：机组输入功率=0.7×制热

(1)

消耗功率=0.7×制热量/5.5=0.13制热量

(2)

由上，得：

需水用量=(制热量-机组输入功率)×0.86/温差=(制热量-0.13制热量)×0.86/温差

=0.87制热量×0.86/温差=0.87×3 560 kw×0.86/15℃=178 m3/h

即，为建筑物提供3 560 kw热量，需开采“浅层+中深层”地下水178 m3/h。

地热水供热负荷6 000 kw；仍按2对4口(2口开采、2口回灌)热水井，取50℃的地热水量为120 m3/h。

2.2.3 取水时程与年取水量

地下水源热泵项目，只在需要供暖和制冷期间开采地下水。地热水按供暖期为4个月计，热泵系统平均日运行12个小时；则年取水量为：

120 m3/h×12 h/d×4×30 d=17.28×104m3

“浅层+中深层”地下水源热泵，不仅可以制热，也可以制冷；按供暖、制冷期各4个月计，热泵

系统平均日运行12个小时；则年取水量为：

178 m3/h×12 h/d×8×30 d=51.26×104m3

2.2.4 节能效益评价

中央空调，国家规定的一级能效比为3.3；本次综合能效比(制冷能效比EER和制热能效比COP的调和平均)，初步测算可达4.5；按一级能效比为基准，本工程比达到一级能效比的一般中央空调还节能271×104kwh/a；节能效果十分明显。

3 结语

本文通过阜阳某地下水源热泵项目系统方案分析，以地热水冬季供热、冷却塔夏季制冷为基础，辅以“浅层+中深层”地下水源热泵调节峰荷；可在“技术可行、经济合理”的前提下，进一步挖掘了节能减排潜力，本项目综合能效比相比国家一级能效比节能37%，且大幅度减少补给条件差的地热水开采量，能够同时达到项目的使用需求同时避免了地热水资源的大量浪费，其经济效益和社会效益达到最优。

[1]孔维臻. 地热资源开发利用经济评价研究[D]. 中国地质大学.2013.

[2]董俊领. 长青林场地热资源潜力评价[D]. 吉林大学.2013.

[3]潘国林. 安徽省地热资源特征及远景区划[J]. 中国地质灾害与防治学报.2011. 22(2):130-134.

[4]官煜, 黄多成. 安徽省阜阳市城区地热资源[C]. 地温资源开发与地源热泵技术应用论坛. 2008.

[5]董红霞. 地热梯级利用供热系统运行策略研究[D]. 天津大学.2011.