深层地热能梯级利用供暖方法探讨

左洋

摘要：在城市化进程不断加快下，人们提高了对供暖的需求，城市集中供热是城市能源建设的一项基础设施。尤其是在冬季供热期间，会消耗大量的资源，导致出现严重资源危机，也对环境造成了污染，因此，需要采取有效措施解決这一问题。而深层地热能作为一种绿色、洁净的可再生能源，在能源领域中具有重要作用。本次研究主要对现阶段深层地热能应用现状进行分析，并结合北方实际工程实例固安牛驼镇某综合体项目，具体分析了深层地热能梯级利用供暖方法，希望为深层地热能的利用以及设计提供参考。

关键词：深层地热能;梯级利用;供暖方法

深层地热能作为一种可再生资源，储量丰富，并且具有较强的稳定性，对我国未来能源使用具有重要作用。但是深层地热能在实际应用过程中，其应用模式较为单一，间接对环境造成了严重影响，也造成了大量的能源浪费，为此，本文对深层地热能梯级利用供暖方法进行深入研究，希望可以改善这一问题。

一、现阶段深层地热能应用现状

所谓深层地热能，主要指的就是温度大于25摄氏度的一种自然资源。深层地热能优势较为突出，不仅热流密度大，并且流量、温度等热物性参数较为稳定。属于一种矿产资源，也是极为宝贵的水资源，可以经过开发后发挥使用价值。

现阶段，我国在应用深层地热能过程中，主要是利用地下存储丰富的高温地下水，但是地下高温水的有效利用温度差较小，导致出现了能源浪费情况。并且被利用后的高温热水直接流入到环境中，对自然环境造成严重影响[1]。

二、深层地热能梯级利用项目实例分析

本文主要以廊坊市牛驼镇莱康郡项目为例进行分析。项目总建筑面积678466.52平方米，建筑密度24.67%。因当地地热资源丰富所以项目以温泉养生为主打理念，配套建设高层住宅、联排及独栋别墅、公租房、酒店、及配套商业娱乐设施等。

本次设计为一期能源站项目。包含住宅及俱乐部公共建筑物。其供热面积约17万平方米（包括自持10万平米，可售7万平米），供冷面积2万平方米。热负荷6700KW，冷负荷1400KW。

（一）设计方案

针对项目整体情况，冬季利用“地热高温水直供+尾水梯级利用”的方式解决项目所有建筑物的热负荷需求;根据不同温度段，采取合理的换热方式，充分发挥地热水的效益，从而达到地热水的梯级利用。夏季供冷区域采用热泵系统配置冷却塔的形式进行制冷

在实际工程建设中，新增了2口深层地热井，回灌井1口，生产井1口，利用地热水为工程提供制热需求，取水温度82摄氏度，回水温度10摄氏度，水量80m3/h，设计出一级板式换热器直供（用于原自持住宅项目约10万平米），二级热泵机组提热系统[2]（用于可售7万平米住宅项目）。

1.热源选择

在此地区中蕴含着大量的地热资源，当冬季出现供暖需求后，该建筑主供暖方式是将地热水梯级利用与热泵机组结合，从而为建筑提供供暖。根据实际情况以及该地区的地质，在加上现有的成井，新建2口地热井，单井出水温度82摄氏度，出水量为每小时80m3。

2.地热井设计及成井工艺

地热井由一口生产井和一口回灌井组成，实际的井深取决于开采过程中的水温以及地质情况决定。

（1）井身结构及套管结构

对于井身结构的选择，主要利用“三开”结构。井身结构为444.5mm ，其中套管结构为339.7mm， 311.1mm的套管结构为244.mm，以及215.9mm。

（2）地热井成井工艺

分析井的地质情况，最终确定该井结构：0到400m的井径为直径444.5 mm，放入石油套管直径339.7 *9.65mm;而360到1400 m的井径为直径311.1mm，下入石油套管直径244.5*8.94mm;1400到1800m为直径215.9mm裸眼。

3.地热换热站

在此供热系统中主要由一级板式换热器直接换热和二级板式换热器间接供热系统构成，其二级制热系统主要利用的是热泵系统，将一级板式换热器地热水出水作为热泵的热源，其中一级板式换热器利用80℃的地热水加热二次侧供暖水温度至50℃ 供末端采暖用户需要，其进出水温为80/35℃。二级板式换热器利用热泵技术，将35℃的一级板换地热尾水通过换热器换热后，经热泵机组提取热量，制取50℃热水供冬季采暖系统使用，其进出水温为35/10℃。地热尾水通过加压回灌装置回灌入井。其原理图见下图1。

夏季由热泵机组为俱乐部等公共建筑提供7/12℃制冷冷水。同时配备两台冷却水量为350m3/h的冷却塔。

换热站主要设备包括：制热量1800KW热泵机组两台，钛合金板式换热器4台（其中一级板式换热2台，二级板式换热2台），循环泵若干，软化水设备一套。

4.回灌及地热尾水处理

结合该项目中的地质构造，可以满足回灌条件，由于在地热尾水中，存在矿化度、温度等原因，如果直接对外排放，会造成水体污染以及热污染，所以需要开采地热回灌井。因此，该工程钻采1口回灌井将地热井水进行回灌。

（二）节能减排

通过数据对比后，可以发现不同供暖形式其污染物排放情况存在很大不同，如图1所示。

本次研究主要是将深层地热水作为供暖热源，这与燃煤锅炉房集中供热相比较，减少了煤炭资源的使用，降低了环境污染，对环境保护起到重要作用，迎合了节能减排目标。

结语：

通过本文结合项目的深层地热梯级利用采暖设计，不难发现，深层地热的利用具有很大潜力，梯级利用极大的提高地热能利用率，实现对地热资源的充分利用，有利于进一步增强节能减排效果。

参考文献：

[1]韩二帅，张家护，鲁冰雪，刘帅.中深层地热能供热技术综述及工程实例[J].区域供热，2019，54（02）：179-183+195.

[2]张曦，李杰.深层地热能多梯级利用的应用研究[J].节能，2019，38（01）：181-184.