中深层地岩热供暖技术在校园工程中的应用研究

田斌守，邵继新，司双龙，夏 斌，蔺瑞山，杨海鸿

(1.甘肃省建材科研设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730020；2.兰州宏方新型建材科技有限公司，甘肃 兰州 730020)

可再生能源、绿色建筑、新型材料研究。

0 引言

随着我国经济持续快速发展，能源需求不断增长。由于化石类能源在我国能源消费结构中占有的比重最大，2017年我国一次能源消费占比煤炭60.4%，石油18.8%，天然气7.0%[1]。2018年煤炭、石油、天然气等化石能源约占我国一次能源总消费量的84.7%，仅煤炭占57.7%[2]，随之而来的是环境污染状况加剧。对于我国三大重要耗能大户“工业、建筑、交通”之一的建筑行业而言，因为城市化进程加快、人民生活水平提高，建筑能耗(建筑能耗从大类可以分为两部分：建造能耗和建筑物使用过程中使用能耗，本文所指的建筑能耗是使用能耗)将会逐渐增大并维持在一个高位水平。据清华大学建筑节能研究中心研究结果：2018年我国城镇化率为59.6%；城镇人均住宅面积29 m2；2018年我国建筑建造和运行用能占全社会总能耗的36%，与全球比例接近，其中建筑建造占比为14%，建筑运行占比为22%；相应的建筑建造和运行相关的CO2占全社会能耗的比例约为42%，其中建筑建造占比为22%，建筑运行占比为20%[3]。随着我国城镇化和基础建设的初步完成，建筑建造能耗比例会下降，使用能耗将会上升成为建筑业主要耗能项。大量的能源用于维持建筑的运行，影响国民经济发展，2018年建筑运行的总使用能耗为10亿tce，建筑节能刻不容缓。

我国正在积极推进能源节约和能源结构调整工作，一方面采取有力节能措施降低能源消耗总量，另一方面大力推进新能源开发与应用，太阳能、地热能、风能等清洁能源在能源消费总量占比逐年提高。其中地热能是一种重要的新能源，储量巨大，据中国地质科学院有关资料显示，我国大陆3 000 m至10 000 m深处，干热岩资源储量相当于860万亿t标准煤，按国际通行的2%可开采资源量计算，相当于我国目前能源消耗总量的5 200倍，开发利用前景巨大[4]。前中国工程院副院长徐德龙院士团队研究认为：地下4 000 m以内、半径250 m以内区域蕴藏着丰富的热能，岩层温度降低1 ℃可释放1.48×109MJ热量，可为10万m2小区供暖30年。

目前地热应用技术有水源热泵技术、浅层土壤源热泵技术和中深层地岩热技术，前两者相对后者来说应用广泛，民众认知程度也比较高，中深层地岩热技术是新近发展起来一种地热应用技术。

1 中深层地岩热供暖技术

1.1 地热资源概述

地热能主要源自地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，以地热形式存储于岩石、土壤、地下水和气体中，是一种绿色低碳的可再生能源，运用地热能最简单和最经济的方法，就是直接取用这些热源。

根据地热赋存形式、位置等，有不同的分类方法，不同种类的地热资源其开发利用方式和用途也不同。NB/T 10097-2018《地热能术语》中按赋存形式将地热能分为水热型地热资源、岩热型地热资源，根据深度不同分浅层地热能、中深层地热能等[5]。

图1 地热资源赋存情况

地球从外到内可以分为地壳、地幔、地核，根据地球内温度分布规律，从地面向下可以分为变温层、恒温层、增温层。变温层在地下约10 m以浅，受到太阳能辐射、气候变化，岩土温度一年四季都处于变化中；其下是恒温层约100 m左右处，岩土温度基本维持恒定；恒温层下面是增温层，约100 m深处，越往下岩土温度越高。温度增高的幅度用地温梯度表示，即地温随深度变化的速率，单位为℃/100 m或℃/km。我国大陆平均地温梯度约3 ℃/100 m。见图1所示。

图2 地温分布

浅层地热利用技术就是近几年应用较广泛的地源热泵系统供热技术，利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热量交换，有水平排管和竖直排管两种方式。这种地热应用方式主要是利用恒温层地热，投资不大，系统较简单。主要的技术要点是做好热汇平衡[6-7]，否则会影响系统能效比，甚至系统失效。

地下热水供热系统就是利用水热型地热资源的热泵供热系统即水源热泵技术，采用热泵原理，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地下热水资源不具普遍性，且不合理的开发地下热水，可能会造成热水使用区域地面沉降，周边区域地下水资源的枯竭。目前许多地方已经限制使用。

干热岩是指不含或仅含少量流体，温度高于180 ℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。利用干热岩的技术也称增强型地热系统(EGS)。干热岩资源是优质的地热资源，高品位地热资源，主要用于发电，如我国青海共和盆地干热岩，3 705 m处井底温度为236 ℃，2 800～3 705 m井段地温梯度大于80 ℃/km[8]。干热岩资源不具普遍性，目前仍有一定的开发难度。

1.2 中深层地岩热利用技术

综上述，浅层土壤源热泵技术、地下热水源热泵技术等各有特点，都是针对某些特定地热资源，且都有一定的局限性，所以怎么用好其他地热资源就是一个地热利用的新课题。

基于地温梯度原理，在2 500 m深处岩层温度70～90 ℃——中深层地岩热，这一部分热能普遍存在，几乎任何地方都有，资源量巨大。这部分地热可以称之为低品位地热能，可广泛应用于建筑供暖、设施农业、农产品加工、食品加工、工业干燥等领域。由此，科学合理地开发中深层地岩热技术近年来得到业界关注。

目前开发利用中深层岩热的技术路线是向地下一定深处岩层钻孔，在钻孔中安装封闭循环的换热装置，通过专用设备系统向建筑物供热[9-10]，其基本原理见图3所示。主要是同轴套管或U型管换热技术，其最主要的特点是“井下换热、取热不取水”，这是《地热能开发利用“十三五”规划》加强研发的关键技术[11]。

图3 中深层地岩热技术系统原理

1.3 中深层地岩热地温分布研究

中深层地岩热技术换热过程中地温会有变化，人们关注单口井取热的影响半径有多大？根据取热进程的持续，地温恢复情况如何？这是该技术最受关注的问题。前者决定了井群布置策略，后者决定了系统持续使用的可行性。为此要研究地温的空间分布情况和时间尺度上的变化情况。为此，利用CFD进行了模拟计算，结果见图4、图5所示。根据图4显示结果可知换热井不同深度热影响半径不同，最低处热影响半径为8 m。因此，为了保证单井取热量和换热效率，换热井之间的最小间距不应小于16 m。根据图5显示的结果可知，在采暖季结束后90 d内地温基本恢复，120 d全程恢复。

图4 热影响半径

图5 地温随时间变化情况

2 校园工程供暖特点

校园工程的供暖要求与学校的作息时间密切相关，负荷变化较大。与通常的供暖工程要求不同，一般的商业办公等公共建筑和家属楼等居住建筑因为人员活动特点，均需连续稳定供暖，使得建筑室内一直维持一个相对舒适的热环境。但是学校是个特殊的活动场所，人员密集、集中，行动统一，具有明确的间歇性使用特点。对于无住宿要求的学校，仅正常学习时间供暖，即一周5 d供暖周末双休日不供暖、节假日不供暖；且学生放学后晚上不供暖；在最寒冷的时间，学校放寒假，也无需供暖。因此学校最显著的特点是在正常教学活动外存在“三不供”时间段，因此可以设计为在非供暖期间，系统达到防冻要求即可。

3 供暖系统设计

根据上述分析校园供暖的特点，校园供暖系统必须具有根据设定时间段、外界气候变化而热源侧供给随之变化的灵活控制调控策略，自控系统随之调用不同模式，直供模式、防冻循环模式、机组供热模式等，以实现精准供给，达到最低的能耗、最大的效益。基于此，该系统设计时采用时间、末端温度(回水温度)双指标联合控制，实现智能控制自主运行。供热系统原理如图6所示，1为换热井，2为换热管道，3为电动阀门，4、7为循环泵，5为控制系统，8为末端。

图6 中深层地岩热供热系统原理

在初寒期、末寒期、“三不供”期地热井直供，完全可以达到室内温度要求，其余时间机组供热，在控制系统中预设程序实现自动运行。同时系统中设计有末端反馈信号，出现极端天气或有特殊情况需要，可以在直供和机组供热两种模式之间实现自由切换，保证末端的供热需求。

4 工程建设及运行

4.1 工程建设地位置及气候

工程位于甘肃省东南部通渭县平襄镇，属陇中黄土高原丘陵壑区，多黄土梁、峁和河谷阶地。东经105.3°，北纬35.2°，海拔1 774 m，为温带半湿润半干旱性季风气候类型。年平均气温7.7 ℃，冬季最低气温一般在-20 ℃左右，夏季最高气温一般在30 ℃左右，年温差较大，无霜期147 d。

4.2 示范工程概况

该工程为小学附属一个幼儿园，总建筑面积14 697 m2。由于学校地处县城郊区，周边没有市政集中供热管网。为满足冬季正常采暖，本工程采用中深层地岩热技术供暖。

从建筑气候区划图上分，该项目所在地属于严寒C区(1C)，年均气温5.7～7.7 ℃。采暖度日数HDD18为3903 ℃·d，采暖期室外平均温度-1.9 ℃，计算采暖期152 d。校园内各单位建筑的设计热负荷如表1所示。总供热负荷840 kW。

表1 各建筑设计热负荷

5 换热井测试及试运行效果

从开工至成井、安装换热管道约30 d时间。打井工作完成后，为了准确掌握中深层换热井的地热特性，委托中国科学院地质与地球物理研究所对井温、地温梯度分布情况进行了现场测试。

5.1 测试依据

(1)《地球物理测井规范》(DZ/T 0080-2010)。

(2)《水文测井工作规程》(DZ/T 0181-1997)。

(3)《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)。

5.2 测试设备

钻井温度采集系统使用澳大利亚生产的DS2000新型温度连续采集系统，配置铂电阻探头，仪器精度0.1 ℃，数据采集间隔0.05 m，能够满足5 000 m深度测井要求。

5.3 测井结果

测得井深-温度分布曲线如图7所示。

图7 井深-井温分布曲线

从图中可以看出，井底温度达到69.5 ℃，全程平均地温梯度5.5 ℃/100 m，换热段平均地温梯度约7 ℃/100 m。实际结果优于最初的设计条件。

5.4 采暖季运行概况

工程建成后地面上可见部分有一座面积50 m2的机房和一个井盖，如图8所示。换热机组、泵及管道布设在机房中，图中右侧是换热井，完工后地面只有一个井盖，可设在绿化带或马路上，不占用土地，也不影响周边建筑。

图8 中深层地岩热供暖工程机房、换热井

2019～2020年度采暖季投入运行，地面换热井出水温度39～51 ℃，供回水温差11.5～18.2 ℃，日换热量4 270 kWh。教学期间的室内温度保持在18.5～21 ℃之间，测试期单位建筑面积月运行费用仅为0.95元/(m2·月)，特别是在地热井直供状态下，供暖成本约0.08～0.1元/(m2·月)。供暖季尚未结束，整个采暖季的供暖成本还没有出来，估算正常年度整个采暖季的运行费用约为1.20元/(m2·月)，当地市政供暖收费标准公共建筑为6.75元/(m2·月)。可以看出中深层地岩热校园供暖成本约为市政管网的17.8%，节能效益非常显著，相应的碳减排量非常可观。

6 结论

(1)同轴套管换热的中深层地岩热技术具有广泛的普适性，可以很好地开发利用低品位地热能。

(2)中深层地岩热技术系统简洁，占用土地少，环境相容性较好。

(3)根据中小学校园特殊的作息制度，优化设计控制方式可以实现精准供暖，最大限度地降低能源消耗。

(4)本校园工程利用中深层地岩热技术供暖，学校供暖成本可以节约80%。