水热型中深层地热在热源厂的应用分析

杜可心，杜彩肖，焦时飞

（中国中元国际工程有限公司，北京 100089）

1 引言

习近平总书记在二十大工作报告中指出：“我们要推进美丽中国建设，坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展。 ”地热能是我国能源供应体系的重要分支，也是新能源的重要组成部分， 目前全国多地已出台相关措施推动地热能科学有序开发利用。

水热型中深层地热作为可再生能源，具有供热量高、无污染、经济效益显著等特点，目前广泛应用于供暖系统，主要应用在用户侧能源站，通过热泵机组采用梯级利用的方式，直接供应中温热水到用户末端。 本文在用户侧能源站已充分利用地热资源的基础上， 将水热型中深层地热应用在集中供热的热源厂， 进一步加大可再生能源的利用、 降低化石能源的消耗，达到节能减排的目的。

2 项目概况

本项目位于华北北部，为寒冷地区。 片区内规划建设热源厂1 座，总供热面积336.57 万m2，供热范围包括住宅用地、居住配套用地、基础教育用地、医疗卫生用地、科研用地、商业用地等，均为规划新建建筑。

2.1 项目热负荷

项目热负荷为冬季采暖热负荷，不包含生活热水负荷。

项目选用规划指标法进行热负荷的估算。 根据片区上位规划，规划新建建筑均满足当地节能设计标准。 根据规划的地下空间情况以及地块开发单位提供的热负荷资料， 仅在科研用地内考虑部分地下采暖热负荷。

项目的热负荷统计情况见表1。

表1 项目热负荷计算表

2.2 年供热量

根据热负荷、 采暖时间和气象参数估算本项目采暖年供热量。

年平均气温：12.9 ℃。

供暖期室外设计温度：-7.0 ℃。

供暖期日平均温度：-0.5 ℃。

日平均温度≤5 ℃的天数：119 d。

根据室外温度下的小时热负荷及延续小时数绘制采暖热负荷曲线图（见图1），对年供热量进行估算。

图1 热源厂采暖热负荷曲线图

3 地热资源条件

根据地热资源评估报告， 地热资源来自蓟县系雾迷山组热储，打井深度约2 000 m，平均出水温度65 ℃，平均出水流量100 m3/h。蓟县系热储具有热储空间展布、孔隙度发育较高、热储开发潜力大、热储回灌能力强的特点[1]。

根据GB 55010—2021《供热工程项目规范》，采用地热能供热时，地热尾水排放温度不应大于20℃。为了保证地热资源的可持续开采，本项目回灌温度按照20℃进行计算。

热源厂所在地块为规划建设用地，采用造斜井方式，保证开采井和回灌井的井底间距≥500 m 时，可设置开采井1～2孔。最终开采井布置孔数还需结合热源厂的装机容量， 通过分析确定。

4 热源厂建设方案

4.1 技术路线

热源厂旨在输送高温热水至用户侧能源站或换热站进行换热。 为了最大化利用区域内的可再生能源，用户侧能源站已根据周边资源条件和末端用户的负荷特性， 耦合了中深层地热热泵、浅层地热热泵、污水源热泵承担基础热负荷，热源厂作为调峰热源。 区域供热技术路线见图2。

图2 区域供热技术路线图

4.2 设计方案

由于热源厂率先建设，以保证下游部分地块的用能需求，同时为了保证供热系统的安全稳定性， 热源厂主机设备选型不扣除用户侧能源站的可再生能源装机热负荷， 按照区域100%热负荷进行设计，建设单位可根据下游用户的开发情况和用户侧能源站的建设情况，考虑热源厂主机设备的分期建设。

热源厂供热系统见图3。 热源形式包括燃气热水锅炉、吸收式热泵（补燃型）、水热型中深层地热。 水热型中深层地热通过梯级利用，加热一次管网回水，提高回水温度，达到节省燃气的目的。

图3 热源厂供热系统简图

考虑到中深层地热热泵机组的效率， 适宜的出水温度在45～55 ℃，故中深层地热热泵机组的温度（即市政热网回水温度）不宜超过50 ℃；根据CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》，当热源厂为热电厂或区域锅炉房时，设计供水温度宜取110～150 ℃，回水温度不应高于60 ℃。 综上确定本项目的设计供回水温度为110 ℃/50 ℃。

4.3 燃气锅炉和吸收式热泵装机

燃气热水锅炉共设计3 台，分别为2 台46 MW 锅炉和1台29 MW 锅炉。

吸收式热泵主要用来回收锅炉烟气余热，余热回收越多，热泵投资越大。 根据热负荷延续曲线，锅炉并非一直满负荷运行，故吸收式热泵无须按照锅炉满负荷最大余热回收量选取。一般情况下，锅炉烟气余热量占锅炉容量的6%～11%[2]，本项目参考以往已实施项目经验， 吸收式热泵按照锅炉满负荷的6%计算烟气余热量，吸收式热泵COP 取1.6。本项目吸收式热泵共设计2 台，单台供热量（含补燃供热量）为9.4 MW。

综上，热源厂设计供热能力为139.8 MW。

4.4 中深层地热的梯级利用

根据热源厂的选址条件，本项目采用造斜井方式，保证开采井和回灌井的井底间距≥500 m， 最大可设置开采井1～2孔，暂按设置1 口开采井进行供热量的计算。

4.4.1 一级板换

一级板换采用地热水直供换热，一次侧进出水温度65 ℃/55 ℃，二次侧进出水温度55 ℃/50 ℃。 根据换热量计算公式[3]，一级板换供热量Q1为1 163 kW。

4.4.2 中间板换+中深层地热热泵

中间板换一次侧进出水温度55 ℃/20 ℃， 二次侧进出水温度35 ℃/27 ℃。 二次侧的中介水作为中深层地热热泵机组的热源，热泵机组供回水温度为55 ℃/50 ℃。 中深层地热热泵机组制热COP 取5.0，根据换热量计算公式，中深层地热热泵机组供热量Q2为5 088 kW。

4.4.3 中深层地热井数量的设计

燃气热水锅炉和吸收式热泵总装机为139.8 MW，按照设计供回水温度110 ℃/50 ℃，计算得总循环流量为2 004 t/h。

热源厂内设置1 口开采井时， 中深层地热系统的总供热量（Q1+Q2）为6 251 kW，用于加热市政管网的回水，热泵设计供回水温度55 ℃/50 ℃，计算得循环流量为1 075 t/h。 此时若设置2 口开采井，则设计循环流量为2 150 t/h，则大于一次供热管网的设计流量。

目前部分品牌的热泵机组， 冷凝器侧的温差可以做到8～10 ℃温差， 此时设计循环流量减少， 可选择设置2 口开采井，但还需结合蒸发器侧的温度、压缩机的形式、COP 等因素综合确定。 由于冷凝器侧温差加大，中深层地热热泵出水温度增高3～5 ℃，主机COP 降低，还需进一步核实吸收式热泵机组的参数，烟气热泵进/ 出口水温均增大，同样会降低烟气热泵设备的能效。

本项目考虑到中深层地热打井成本、 片区内整体热储开采量以及上述因素，选择设置1 口开采井和1 口回灌井，保证100%回灌的情况下，可充分利用地热能进行供能，即初末寒期和严寒期均按照设计取水量运行。

5 节能情况分析

项目100%达产后，热源厂年供热量约65.30 万GJ。 中深层地热系统整个采暖季均处于满负荷的运行状态，能够充分利用地热资源，年供热量约6.42 万GJ，占比9.8%。 按照燃气热水锅炉和吸收式热泵整体热效率96%、 燃气热值35.16 MJ/m3（标准大气压）计算，年节约燃气消耗量190.2 万m3（标准大气压下），折合标煤230.96 万t（标准煤当量）。

6 结论

本文结合工程设计实例， 对水热型中深层地热在热源厂的应用进行了技术路线分析、设计方案分析、装机选型以及中深层地热的梯级利用分析，主要结论如下。

1）水热型中深层地热应用在热源厂，用于加热市政管网的回水技术可行，但对热源厂的规模有一定的要求。 热源厂规模过小， 则存在流量不匹配的情况， 不能够充分利用地热资源，造成投资成本增加，运营费用减少不多的局面。

2）水热型中深层以“用热不用水”为原则，地热尾水需100%回灌，合理设计回灌温度，保障地热资源的可持续性利用。

3）本项目设计方法可应用于既有燃气锅炉房的节能改造，达到节能减排、节约运营成本的目的。