地熱能在區(qū)域供暖中的應用與研究

劉錚

（天津華北地質(zhì)勘查局 天津 300170）

地熱能在區(qū)域供暖中的應用與研究

劉錚

（天津華北地質(zhì)勘查局 天津 300170）

目前，區(qū)域集中供暖已經(jīng)成為了新城市能源建設的趨勢和方向。眾所周知，城市集中供熱方式有諸多優(yōu)點，尤其是以新能源方式和節(jié)能減排能源方式為主導的區(qū)域集中供暖，更加成為國家支持與行業(yè)倡導的新方向，本文以曹妃甸唐山灣生態(tài)城八里灘片區(qū)共計420×104m2建筑供暖的區(qū)域性能源要求為契機，展示了以新能源為主導的區(qū)域供暖新思路與方法，供行業(yè)參考。

地熱能；“地熱水梯級利用+地源熱泵+鍋爐”綜合能源方式；換熱孔；地熱井；一次網(wǎng)

曹妃甸唐山灣生態(tài)城八里灘片區(qū)地處曹妃甸新區(qū)東部，京唐港區(qū)和曹妃甸港區(qū)之間，正在規(guī)劃建設總面積150km2，人口規(guī)模100萬人的唐山灣生態(tài)城，在這里，將建設一座具有國際示范意義的濱海生態(tài)城市。生態(tài)城堅持“以人為本、資源節(jié)約、綠色建筑、城市安全、循環(huán)經(jīng)濟、綠色交通、清潔能源、文明生活、融合文化、設施高效”十大規(guī)劃理念，將建成一座未來之城、創(chuàng)新之城、生態(tài)之城、幸福之城。

經(jīng)過各部門專家研討與論證，該區(qū)域能源方式擬采用“地熱水梯級利用+地源熱泵+燃氣鍋爐”綜合能源的系統(tǒng)方式為曹妃甸唐山灣生態(tài)城八灘片區(qū)提供整體的冬季采暖，以下為方案論述。

1 設計概況

在目前階段，供暖負荷暫采用負荷指標法估算，以下為曹妃甸唐山灣生態(tài)城八里灘片區(qū)的各類功能建筑的熱負荷估算為總供熱負荷為182000kW，其中一期建筑的供熱負荷為76000 kW（包括：青龍湖商業(yè)區(qū)、唐山工職院、聯(lián)大、歐洲風情鎮(zhèn)等建筑），負荷情況如下表1。

表1負荷計算表（供暖負荷采用負荷指標法估算，其中住宅40W/m2，公建60W/m2，學校按住宅和公建綜合指標50 W/m2考慮）

根據(jù)本區(qū)域中供暖需求大，建筑類型多以及項目所在地的地質(zhì)條件等特點，擬定采用“地熱水梯級利用+地源熱泵+鍋爐”的綜合能源系統(tǒng)，綜合利用傳統(tǒng)能源與兩類新能源系統(tǒng)方式，保證本項目的能源需求可以更有效、更互補、更穩(wěn)定的供給，可使項目達到最小的建設成本投入、并達到穩(wěn)定和環(huán)保的能源配比以及最大的使用經(jīng)濟效益。

根據(jù)相關資料并經(jīng)專家分析，熱井開采以第三系館陶組為主，井的預計出水量為80m3/h，出水溫度為70℃。在保證每口地熱井的間距在1km左右的條件下，可以鉆鑿13對地熱井（13口為取水井，13口為回灌井），打井深度約1800m。

土壤換熱器系統(tǒng)采用雙U管換熱器，單個土壤換熱器孔深選用120m，孔徑φ150mm，換熱器間距為5m×5m，本方案實際設計鉆鑿地源熱泵換熱孔數(shù)量僅為7200個。

2 本系統(tǒng)設計方案詳述

2.1 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)采用“地熱水梯級利用+地源熱泵+燃氣鍋爐”綜合能源方式，首先對地熱水進行梯級利用，降低地熱水的回灌溫度，提高地熱水的利用效率，然后采用以地源熱泵為主的新型能源，大大減少了對環(huán)境的污染和資源的消耗，地熱水梯級利用和地源熱泵提供的能源占總能源的70%左右，剩余的30%，再采用傳統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)進行補充和調(diào)峰。冬季大部分時間的供暖負荷會低于總負荷的70%，這樣優(yōu)先使用地熱水系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)，可以非常有效的降低運行費用。

2.2 系統(tǒng)綜述

地熱水梯級利用系統(tǒng)共建設成13對地熱井，13對地熱井抽取的地熱水或集中匯入一次熱網(wǎng)或分別進入各分區(qū)區(qū)域的換熱站（能源站），采用兩級板式換熱器對地熱水進行換熱：地熱水出水溫度70℃，先進入一級板式換熱器組進行換熱，溫度降到42℃，再入二級板式換熱器，經(jīng)過二級板式換熱器換熱后地熱水的溫度降到9℃，作為地熱尾水回灌到回灌井中；一級板式換熱器二次側(cè)水換熱后的溫度為40℃/50℃，提供熱量32850kW，直接供給建筑采暖使用；二級板式換熱器二次側(cè)水換熱后的溫度為23℃/7℃（出/進級板式換熱器），該水為熱泵機組提供低溫熱源，通過熱泵機組提取熱量后，制出40/50℃（出/進熱泵機組）的采暖熱水，提供熱量49780 kW。兩項合計為82630 kW，約占總能源供給的45%。

地源熱泵系統(tǒng)擬共鉆鑿地源熱泵換熱孔數(shù)量為7800個，選擇2300 kW左右的地源熱泵機組約20臺，每個分區(qū)區(qū)域的換熱站配置2～3臺，這樣總供熱量為45360 kW，約占總能源供給的25%。

鍋爐系統(tǒng)為每個站房配備獨立的燃氣鍋爐進行調(diào)峰，共需78t左右的鍋爐，提供熱量54010 kW，約占總能源供給的30%。系統(tǒng)原理流程圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)原理流程圖

上述方案，共可提供182000kW的冬季能源，可滿足420× 104m2建筑的冬季供暖需求。利用油田采注廢水熱泵提升+污水廠污水熱泵提升后預計滿足500×104m2建筑的冬季供暖。

2.3 地熱水一次管網(wǎng)的設計方案

本供熱方案的地熱水系統(tǒng)的一級網(wǎng)設計供回水溫度為70℃/9℃，設計熱網(wǎng)干線路由規(guī)劃區(qū)內(nèi)的道路或綠劃區(qū)域鋪設。由于本綜合能源方案中，地熱水梯級利用系統(tǒng)約占總能源供給的45%，所以地熱水系統(tǒng)的穩(wěn)定與否對整個系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定起到至關重要的作用。為了保證整個地熱水系統(tǒng)的穩(wěn)定，本次規(guī)劃提出對一次網(wǎng)進行集中聯(lián)通設計，即13對地熱井（13口為取水井，13口為回灌井），通過一條貫穿東西的大型主干線全部聯(lián)通，對規(guī)劃區(qū)內(nèi)的地熱資源進行集中控制，合理調(diào)配，例如在冬季夜間要優(yōu)先考慮供給住宅；日間要優(yōu)先考慮供給商業(yè)；學校在放寒假期間，可以把空余的地熱資源供給其它建筑。

2.4 區(qū)域能源站設計方案

本方案總體規(guī)劃了11個區(qū)域能源站，按照“地熱水梯級利用+地源熱泵+鍋爐”綜合能源利用的原則，將整體熱力規(guī)劃分布到這11個能源站（換熱站）中，每個能源站的平均供暖面積約40×104m2，每個換熱站可根據(jù)實際情況（如：位置、建筑類型、場地情況、行政劃分）予以能源匹配和調(diào)節(jié)。且可以區(qū)分的選擇使用“地熱水梯級利用+地源熱泵+鍋爐”或“地熱水梯級利用+鍋爐”、“地源熱泵+鍋爐”、“地熱水梯級利用+地源熱泵”等不同形式的綜合能源方式，力爭因地制宜和效率的最大化。

2.5 商業(yè)區(qū)供冷

本方案的“地熱水梯級利用+地源熱泵+鍋爐”系統(tǒng)不僅可以冬季供暖，而且可以夏季供冷。地源熱泵系統(tǒng)本身即為冷暖兩用，通過系統(tǒng)水路閥門的切換可以實現(xiàn)冬夏轉(zhuǎn)化，方案中用以實現(xiàn)供暖的地源熱泵機組裝機容量，在現(xiàn)有的條件下，即可以提供41000kW左右的制冷負荷；地熱水梯級利用系統(tǒng)中的二級板換側(cè)使用了水源熱泵機組提升，通過系統(tǒng)水路閥門的切換也可以實現(xiàn)冬夏轉(zhuǎn)化，方案中用以實現(xiàn)供暖的地熱水水源熱泵機組裝機容量，在現(xiàn)有的條件下只需增加冷卻塔設備，即可以提供45000kW左右的制冷負荷。兩項合計為86000kW。

3 節(jié)能與減排數(shù)據(jù)分析

據(jù)測算，采暖鍋爐每燃燒1×104tce，將向大氣排放二氧化碳（CO2）1.87×104t、一氧化碳(CO)227t、碳氫化合物（CNHM）4.5t、氮氧化物(NOx)36.2t、二氧化硫(SO2)167.2t，粉塵100余噸。

本設計方案冬季采暖按120天計算，整個冬季采暖所需要的熱量為191940840kW·h（按照60%入住率情況下考慮）。若采用燃煤鍋爐供暖整個冬季需要燃燒37424tce（燃燒效率90%，鍋爐效率70%計算）。因此，本系統(tǒng)在曹妃甸地區(qū)可以減少向大氣排放二氧化碳（CO2）69983t，一氧化碳(CO)850t、氮氧化物(NOx)135.47t、二氧化硫(SO2)625.73t，粉塵374.24t。

4 結(jié)語

建筑區(qū)域能源系統(tǒng)是城市建筑的“血脈”和生命線，從城市層面上進行區(qū)域能源規(guī)劃具有十分重要的意義。地熱能方式（土壤源熱泵系統(tǒng)和地熱水系統(tǒng)）是可再生能源中最為穩(wěn)定、高效和清潔的能源方式，與傳統(tǒng)的燃氣鍋爐系統(tǒng)相集成，組成的“地熱水梯級利用+地源熱泵+鍋爐”綜合區(qū)域能源方式更加突出了整個系統(tǒng)的綜合性、科學性、合理性、穩(wěn)定性和環(huán)保性。通過對該系統(tǒng)的研究和探索，期望有更多具有地熱資源的城鎮(zhèn)區(qū)域采用和推廣。

劉錚（1980—），男，天津，本科，副總工程師，長期從事地熱資源開發(fā)、利用、設計、規(guī)劃等管理和科研工作。