中深层地热资源在供暖中的应用及负荷调峰方法分析

黄贤闯，石 岩

（吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130000）

地热资源是世界第三大清洁能源，其开发及有效利用对我国节能减排具有重要意义。中深层地热资源量相当于8 530 亿t 标准煤，大约是浅层地温能资源的100 倍[1]。随着开发技术的逐步成熟，中深层地热资源的利用将得到快速的发展。中深层地热资源现每年开发利用量相当于6.4 亿t 标准煤，实现减排13 亿t CO2。同时，我国在“十三五”规划中计划将中深层供暖面积增加到4 亿m2[2]。但由于中深层地热资源开发技术不成熟，各种自发技术没有得到权威的验证，粗制滥用，导致中深层地热资源开发利用效率低下，资源浪费严重，经济效益较低，影响商业的推广。

1 中深层地热资源在供暖中的应用方法

中深层供暖目前多数采用梯级利用模式，因为地热利用率高，经济效益可观。但是，梯级利用导致地热水温度降低较大，尾水温度甚至达10℃，长期开采必将对地热能力恢复产生不利影响。其次是预埋换热器的形式，预埋换热器系统可以不开采地热水，还可以防止腐蚀堵塞管道，对于保护环境和降低运营成本是非常有效的。但是以上两种方法都无法做到用热平衡，对地热恢复生产不利，也无法夏季供冷。经过对现有技术方法的对比研究，本文初步提出“深浅井结合供热供冷式系统”的技术方法，它可以弥补以上缺点，提高中深层地热井和浅层地热井的利用效率。

1.1 中深层地热能梯级利用供暖方法

为了提高抽出的地热水和回灌水之间的温差，获得一次抽水的热量的最高效利用，抛弃了换热温差较小的单个或者单组换热设备，对不同使用用途、不同适用温差的设备进行串联组合，在供暖时将开采出来的高温水直接用换热器换热后的温度较低的水再次利用，采用热泵把无法用于直接换热供暖的低温热水中的热量开采出来。梯级利用的优点在于能高效地利用地热能，经济效益较高，有利于推广地热能的商业开发利用。其缺点在于相较于一次换热采暖系统，此系统结构复杂，初投资及后期维护成本较高。梯级利用的换热站流程如图1所示。

图1 中深层地热梯级利用

1.2 预埋换热器式中深层供暖

由于地热水在地下几千米高压高温储存，其水质必然具有多种无机盐组分及较高的矿化度。地热水中含有钾、钠、钙、镁、硅、氯化物、氟化物、硫酸盐、碳酸盐，及过量的铁、锰离子等多种成分。现有的地质调查也表明，目前开采的相当一部分地热水中的一些微量元素与重金属元素也有不同程度的超标，如砷、硼、镉、汞等，而且某些地热水中还存在微量放射性元素，如氡，这又可能存在着总放射性超标的问题。地热水复杂的水质非常容易造成水管的堵塞和腐蚀，增加后期地下系统的维护成本。然而，采用预埋换热器的方式就可以避免地热尾水腐蚀、堵塞水管的问题。预埋换热器式中深层供暖是将外层涂有防腐材料的特制专用换热器埋于打好的孔中，换热器可以是一组或者多组。换热器通过管道与地上的水泵和换热器相连形成循环，循环水必须是净化水，以防止形成水垢堵塞地下换热器和水管。这样地下换热器从地下土壤或者岩石中获取热量，然后被工质带到地面，再经过地上换热器把热量供给用户。预埋换热器式中深层供暖流程如图2所示。

图2 预埋换热器式中深层供暖系统

预埋换热器式中深层供暖具有以下优点：不需要抽取地下热水，减少地下水位下降的风险；采用循环水或者其他不腐蚀管道的工质，降低管道腐蚀、堵塞的风险，延长系统使用寿命，降低维护成本；无需回灌地热尾水，其他系统中，地热尾水都需要用水泵回灌，而此系统去除了以往回灌地热尾水的能源消耗，降低了运营成本；无需回灌井，打井数目比普通系统减少一半，初投资减少一半，所需要的场地也大量减少，经济效益直线增加，推广应用也比较容易。

1.3 深浅井结合供热供冷式系统

众所周知，中深层地热供暖系统相较于浅层地源热泵系统虽然在冬季供暖上更加节能环保，具有非常大的优势，但无法在夏季供冷，无法满足具有供热需求和供冷需求的用户，这也是中深层地热系统无法在我国中部地区大面积推广的原因。目前，深浅井结合式供热供冷系统完全解决了这个问题。这个系统由一口深井和一口浅井组成，在冬季，一般采取深井的地热能来供暖，经过梯级利用后的地热尾水（温度为10℃左右）回灌进浅井中。在夏季，一般利用浅层地源热泵在浅井中取冷。在本系统中，冬季排出的温度较低的地热尾水排进浅水井中，并为夏季提供冷量，同时解决了夏季供冷与冬季地热尾水的问题，实现了资源有效利用，环保节能。深浅井结合供热供冷式系统流程如图3所示。

图3 深浅井结合供热供冷式系统

深浅井结合式供热供冷系统具有五个突出优点。一是兼顾供暖供冷需求。一口深井冬季供暖，一口浅井夏季供冷。二是节能环保。冬季供暖采用深井，深井温度比较高，冬季采暖能达到最大的节能环保需求。夏季取冷采用浅井，冬季地热尾水带出的冷量储存于浅井中，所以浅井温度大大小于室外温度，采用水源热泵机组也能很大程度地实现节能。

三是经济效益高。节能的同时，经济成本也就比较低。据估算，在夏季，此系统相较于普通浅层地源热泵系统节约电能30%左右，比普通空气源热泵机组节约电能50%左右。四是初投资比普通中深层供暖系统低。由于本系统是一口深井、一口浅井，普通中深层供暖系统是两口深井，深井的开发成本是浅井的数倍，甚至十几倍。

五是深井和浅井的使用寿命将达到50年之久，甚至更长。在普通的中深层供暖系统中，热突破和回灌温度有直接关系。回灌温度越低，热突破时间越短，一般的梯级利用系统回灌温度一般在25℃左右，热突破时间较短。此系统中采用夏季的热回水回灌进深井中，温度大约在35℃，大大延长了深井的热回收时间。浅井也是如此，用冬季25℃左右的低温回水代替了夏季35℃左右的高温回水。

2 中深层地热资源供暖负荷调峰方法

在利用中深层地热资源供暖中，考虑到打井深度经济负担和出水温度以及出水量、回灌量对井的热突破时间影响，地热井所能承受的负荷与设计负荷存在一定差异。因此，需要采用一些技术方法使供热量满足设计负荷要求。方法主要有三种：外加水源热泵机组二次提取热量调峰，外加空气源热泵机组调峰，外加燃煤或燃气、电力锅炉调峰。

2.1 外加水源热泵机组二次提取热量调峰

外加水源热泵机组二次提取热量调峰与地热能的梯形利用相同，是利用水源热泵把地热尾水的热量，再次提取出来用来加热供水的系统。地热水经过一级板式换热器的换热后，温度下降后的地热尾水经过水泵进入水源热泵系统，水源热泵通过蒸发器提取回水的热量，然后通过冷凝器把热量传递给地热供水，二次换热后的地热尾水经过管线进入回灌井。水源热泵机组最终提高了地热水供暖时的温度，进而满足设计负荷。此系统还可以解决开采出来的地热水达不到设计供水温度的问题。外加水源热泵还有一种利用方法就是直接代替换热器，使用水源热泵提高换热温差使供水温度达到设计温度，提高地热水的利用率。两种方法各有优势，第一种可以获得更大的地热水和地热尾水之间的温差，相对节能，但结构复杂。第二种结构简单，维护方便，初投资低。

2.2 外加空气源热泵机组调峰

当开采井的供热量不满足采暖热负荷时，外加空气源热泵机组调峰有两种解决方法：一种是直接加热供水，一种是加热回水使其达到设计供暖温度，然后和供水混合。当开采出来的地热供水与换热器换热后，采暖供水再采用空气源热泵机组进行升温，达到设计供暖温度后再通过管道输送给用户，这种方法为直接加热供水。直接加热供水也适用采暖供水经过一次换热器加热后达不到设计供暖温度的情况。加热回水的方法是采用空气源热泵机组对流经散热器后的回水进行加热，把回水加热到设计供水温度后再与供水混合，然后输送给用户。这两种方法都是对中深层地热供暖系统的一种负荷补偿。

2.3 外加燃煤或燃气、电力锅炉调峰

外加燃煤或燃气、电力锅炉调峰和外加空气源热泵机组一样，都为无法满足设计负荷的中深层井提供外在的热源。前一种方式可以提供较大的能量，满足较大的负荷，但相对不环保。空气源热泵机组能源利用效率较高，节能环保，符合开发中深层地热的目的，因此实际工程中一般不采用锅炉调峰。

3 结论

目前，中深层供暖系统大规模工程应用并不普及，各项技术还需进一步完善，各种中深层供暖系统的应用还需进一步优化、融合。本文经过对比分析，提出一种新的中深层供暖方式——深浅井结合供热供冷式系统。人们需要进一步深入研究，优化系统结构，为中深层供暖系统的应用提供基础数据与技术支撑，充分发挥它在环保节能方面的优势。