中深层地热能干热岩技术及应用研究

李 阳，贺国华，张 旭，徐 强，李壮壮

（中建方程投资发展集团有限公司西北分公司，陕西 西安）

引言

我国能源结构以传统化石能源为主，煤炭占比较大，导致较严重的环境污染和碳排放问题。西咸新区发展快，供热配套发展滞后，供需矛盾突出，但地热资源丰富，适合作为建筑供暖的热源。“双碳”目标背景下，中深层地热能（干热岩）作为一种清洁的可再生地热资源，在过去40 年里, 干热岩的利用技术日趋成熟，显现出了巨大的商业价值。

地热能分为浅层、中层、深层地热资源。浅层地热能利用热水回灌成本大，大面积开采会出现地热水位下降。由于长期开采地下热水，西安、咸阳、渭南已经形成大面积降落漏斗，水位和水温均难以恢复，导致地面沉降和地质灾害。西安市区范围内由于抽取地下水引起地裂缝和地面形变，不再允许采用取水型地热井的开发利用[1]。

本研究采用取热不取水的中深层地埋管换热技术，符合我国绿色发展、低碳发展和循环发展的市场导向和国家相关产业政策，有利于实现“双碳”目标，具有良好的生态效益和社会效益。

1 西安沣东地区地热资源分析

甘肃、陕西、山西、河南、河北、天津五省一市属于集中供热需求与地热资源匹配度非常好的区域，基本处于胶辽地热带和渭河盆地，地温梯度较好，大多数区域超过3 ℃/100 m。同时很多区域打井成本较低，成井难度低、风险小。陕西单位面积热储量关中盆地位居全国首位，仅关中盆地总热量可供暖面积为8.84亿m2。

西安沣东沣和苑项目在区域上为汾渭盆地之关中渭河断陷盆地的中部，不同规模不同走向基底断裂发育已知有百余条，尤其深断裂带断距达数千米，继承性活动较强烈，传导深部热量性能好，大量资料表明渭河断凹是陕西地热资源富集地带。项目所在地西安凹陷区内大地热流在63.4～77.5 mW/m2区间，平均值为70.68 mW/m2，高于全国及西北地区平均值。区内已成地热井取水段中点平均地温梯度值为3.18～3.84℃/100 m，高于地球平均地温梯度3 ℃/100 m，具备使用中深层地埋管供热的基础条件[2]。

2 换热原理与模拟模型

2.1 换热原理

项目采用同轴套管换热系统，该技术主要是在钻井内安装同轴套管，在套管的外壁和周边地层之间灌入水泥砂浆，以保证套管和岩石之间的接触和传热。液、气体与固体之间的热传递除对流传热以外，还常常伴随着热传导。在外套管中注入的冷水在下降过程中被周边的地层加热升温，热水到达套管底部后进入内管再次向上移动，从而用于建筑末端供暖[1]。供热冷却之后的循环水再次进入地下换热循环，形成一个闭路结构，并通过大温差热泵机组系统向末端供热的技术。同轴套管换热器原理如图1 所示。

图1 同轴套管换热器原理

2.2 几何模型

建立同轴套管换热器几何模型[3]，埋深2 500 m，直径178 mm，模型几何参数如表1 所示。

表1 模型几何参数

2.3 网格划分

使用icem 软件对几何模型进行网格划分，划分网格采用四边形结构化网格，采用由面到体的划分方式，对端部及内外套管换热边界处网格进行了局部加密，模型的网格数量为216 万，保证网格质量。网格划分情况如图2 所示。

图2 网格划分

2.4 边界条件

地下岩体区域的参数设置如下：根据温度梯度取值，编写自定义函数UDF，岩土温度梯度为2.6 ℃/100 m，热井最深处温度为80 ℃。导热系数为2.5 W/(K·m)，计算过程中地表及计算区域底部都设为定温边界，其温度始终与初始温度相等。将模型导入Fluent 软件进行数值模拟，设置为稳态，湍流模型采用k-epsilon 模型，选用标准壁面函数法，压力速度耦合选用Simple 算法。边界条件设置中，速度入口设置为“magnitude normal and boundary”（垂直速度入口），几何模型上表面设置为“heatflux”（热通量）型wall；内管内壁面、外壁面和外管内壁面均设置为“couple”（耦合型）wall[4]；岩土外壁面引入UDF，设置为温度随温度梯度变化的界面。设定管子侧面及端部壁面为无滑移边界，粗糙度常数为0.5。材料导热系数如表2 所示。

表2 材料导热系数

2.5 收敛设定

定义收敛条件，除能量的残差值外，当所有变量的残差值都降到低于1e-05, 能量的残差绝对值的收敛标准小于1e-10。如图3 所示，当残差曲线所显示出来的监控曲线趋于平稳，可以判定残差曲线得到收敛，已经得到了数值计算的解。

图3 模拟收敛图

3 模拟结果

由模拟得到的图4 换热管端部流线矢量图可以看出，在管道端部的流体由外管向内管转向处，流速最高。受地温梯度影响，土壤随着深度越深，温度逐渐升高。流体从外套管入口到内套管出口，温度逐渐上升，流体被加热后，从内套管回流至地面。

图4 换热器端部的流线矢量图

根据模拟结果，当流速为0.06 m/s，入口温度为15 ℃时，单管换热量为370 390.6 W，出口温度为24℃。

4 环保性分析

4.1 设计方案

西安沣东沣和苑项目总建筑面积为45.12 万m2，地上建筑面积为35.8 万m2，具有外墙外保温和屋顶保温系统，供热指标为40 W/m2，总热负荷为14 331 kW。采用中深层地热作为基础供热热源，电辅热为备用、调峰热源。本项目设置一个供热站，供热站布置在负一层地下室，占地面积580 m2，其中地热主机房：435 m2，要求净高4.5 m；配电室面积：145 m2，供热站用电负荷5 800 KW。

无干扰中深层地埋管换热孔一般孔井可解决2～4 万m2建筑的采暖需求；项目设计中深层地热地热孔数量12 口，中深层地热换热器数量12 套，地热孔有效深度2 500～3 200 m，地热孔孔径约200 mm。供热能力能够保障小区供热需求。

4.2 节能减排效果

西安沣东沣和苑项目供暖全年耗热量经计算为111 055 GJ。

采用地热项目与燃煤供热项目排放对比，如表3所示。

表3 采用地热项目与燃煤供热项目排放对比

使用地热能供暖，一个采暖季（4 个月）相比燃煤锅炉供热能减少二氧化碳排放量约8 016 t，减少二氧化硫排放量约112 t，减少氮氧化物排放约26 t。

该项目对于推动西咸新区地热能清洁取暖技术发展、能源结构转型升级、改善大气环境及治污减霾、实现碳达峰及碳中和目标，具有重要的推广应用价值。

5 结论

本文建立了中深层地埋管换热器与岩土的稳态换热模型，并得出了其数值模拟的流场及温度场情况。结合西安沣东沣和苑项目，提出供暖设计机房及地埋管换热孔方案。从环保性出发，计算全年耗热量，使用地热能供暖，一个采暖季（4 个月）相比燃煤锅炉供热能减少二氧化碳排放量约8 016 t，减少二氧化硫排放量约112 t，减少氮氧化物排放约26 t。