蘭州某學(xué)校無干擾地巖熱供熱系統(tǒng)的工程應(yīng)用分析

陳君萍

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

能源與環(huán)境問題成為當(dāng)今各國面臨的重大社會(huì)問題之一。能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的根本出路在于開拓清潔、高效的可再生能源。地?zé)崮茉从诘厍虻娜廴趲r漿和放射性物質(zhì)的衰變。地?zé)崮苁窃诋?dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)和地質(zhì)環(huán)境條件下，地殼內(nèi)能夠科學(xué)合理地開發(fā)出來的巖石中的熱能量和地?zé)崃黧w中的熱能量及其伴生的有用組分。

地?zé)崮軆?chǔ)集量大且具有可再生性。據(jù)聯(lián)合國有關(guān)的新能源報(bào)告顯示：全球地?zé)崮苜Y源總量，相當(dāng)于全球資源總消耗量的45萬倍。人類很早以前就開始利用地?zé)崮?，例如利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建造農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖及烘干谷物等。地?zé)豳Y源按儲(chǔ)熱體屬性，可將地?zé)豳Y源分為水熱資源（儲(chǔ)存在水中，以熱水的形式存在）和地巖熱資源（儲(chǔ)存在4000～10000m巖石中，以熱能的形式存在）。相對(duì)于太陽能和風(fēng)能的不穩(wěn)定性，地?zé)崮懿皇芗竟?jié)和晝夜變化的影響，具有穩(wěn)定、安全、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。合理開發(fā)利用地?zé)崮埽瑢?duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、治理霧霾、應(yīng)對(duì)氣候變化等方面具有重要意義[1]。

1 無干擾地巖熱利用技術(shù)

早在20世紀(jì)70年代初，美國 Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室原子物理學(xué)家們就形成了干熱巖地?zé)崮艿南敕?，提出利用地?000m以下廣泛分布的無水熱能進(jìn)行發(fā)電[2]。至今美國、澳大利亞、英國、德國、法國、日本、瑞士、瑞典等國家開展了干熱巖發(fā)電試驗(yàn)和商業(yè)運(yùn)作[3]。我國有關(guān)干熱巖的工作起步較晚，近年來的進(jìn)展主要集中在鉆井、壓裂、微地震監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、資源量評(píng)價(jià)、碳儲(chǔ)存技術(shù)等方面[4]。無干擾地巖熱利用技術(shù)是中國工程院院士徐德龍領(lǐng)銜的技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的重大科技成果，創(chuàng)造性地提出了中低溫地?zé)崮芾谩叭岵蝗∷钡男录夹g(shù)。目前，無干擾地巖熱利用技術(shù)已在我省蘭州新區(qū)陸港物流園、蘭州西固區(qū)達(dá)川棚戶區(qū)改造工程及武山縣等地示范應(yīng)用，效果良好。

無干熱巖供暖技術(shù)是通過鉆機(jī)向地下2000～4000m深度高溫巖層鉆孔，在孔中安裝一種密閉的金屬換熱器，通過換熱器傳導(dǎo)將地下深處的熱能導(dǎo)出，并通過專用設(shè)備系統(tǒng)向地面建筑物供熱的新技術(shù)?！叭岵蝗∷?，實(shí)現(xiàn)無干擾潔凈供熱，完成對(duì)低品位地巖熱能的開發(fā)利用。該技術(shù)無污染，不受地面氣候等條件的影響，能夠有效保護(hù)地下水資源，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿那鍧?、高效、持續(xù)利用。本工藝技術(shù)示意見圖1。

無干熱巖供暖技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)壽命長：地下?lián)Q熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當(dāng)（不小于60年）。

（2）安全可靠：孔徑?。?00mm），深度在2000m以下，對(duì)建筑地基無任何影響；地下無運(yùn)動(dòng)部件；全系統(tǒng)溫度低于100℃，無化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)穩(wěn)定、無安全隱患、可靠性高。

（3）操作簡便：系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)無人值守，維修簡單，可根據(jù)需要開停機(jī)。

（4）普遍適用性：每個(gè)建筑物下都有地?zé)崮埽瑹嵩捶€(wěn)定，開發(fā)地?zé)崮芷毡檫m用，鉆孔位置的選定比較靈活，一般不受場(chǎng)地條件制約。

（5）投資與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好：向地下中、深層取熱，單孔取熱量大，供熱面積廣，鉆孔數(shù)量少，開發(fā)成本經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行成本低廉。

（6）高效節(jié)能：專用的吸熱導(dǎo)熱裝置與新材料的使用提高了地下?lián)Q熱導(dǎo)熱效率；一個(gè)換熱孔可以提供500～700kW的熱負(fù)荷需求，無長距離輸送和損失能耗。

（7）綠色環(huán)保：無廢氣、廢液、廢渣等任何排放，能量來自地?zé)?，治污降霾成效顯著。

圖1 無干擾地巖熱供熱示意圖

（8）保護(hù)水資源：系統(tǒng)與地下水隔離，僅通過換熱器管壁與高溫巖層換熱，不抽取地下熱水，也不使用地下水。

2 項(xiàng)目概況

2.1 建筑概況

本項(xiàng)目位于蘭州市榆中縣三角城岳家莊。項(xiàng)目總建筑面積為13847.7m2（不含規(guī)劃預(yù)留博物館等建筑約8000m2），其中綜合樓4872.3m2，宿舍樓4297.6m2，訓(xùn)練館4647.4m2，傳達(dá)室30.4m2?？偀嶝?fù)荷設(shè)計(jì)為1400kW，其中現(xiàn)有建筑熱負(fù)荷為1089.2kW，供暖期共150天。

2.2 設(shè)計(jì)條件

本項(xiàng)目附近無城市集中供熱管網(wǎng)或區(qū)域鍋爐房，最初設(shè)計(jì)供暖熱源為校區(qū)新建燃?xì)忮仩t房直接供給，鍋爐房內(nèi)設(shè)計(jì)2臺(tái)1t的燃?xì)忮仩t，但經(jīng)建設(shè)方核實(shí)，校區(qū)附近較長一段時(shí)間無城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)接入。此外，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的情況下，冷、熱源宜利用淺層地?zé)崮?、太陽能、風(fēng)能等可再生能源。但采用太陽能供熱，夜間儲(chǔ)熱等問題不好解決；采用水源熱泵，經(jīng)勘測(cè)，地質(zhì)條件不滿足，且回灌等需要場(chǎng)地較大，而項(xiàng)目場(chǎng)地比較緊張；采用空氣源熱泵，榆中縣冬季供暖室外計(jì)算溫度為：-9℃，室外溫度偏低，供熱越差、效率低，需要增設(shè)電附熱，后期運(yùn)行費(fèi)用高。

榆中縣地處蘭州市東部，熱儲(chǔ)蓋層為巨厚的第三系中上部泥巖、砂質(zhì)泥巖，層位較穩(wěn)定，地下泥土層較厚，地下以泥巖、礫巖、砂巖為主，進(jìn)專業(yè)公司勘測(cè)，該區(qū)域內(nèi)的平均地溫梯度在25℃/km左右，地?zé)豳Y源較為豐富，具備使用無干擾地巖熱供熱的基礎(chǔ)條件。預(yù)計(jì)深度2500m左右可獲得65℃以上的地?zé)豳Y源，為用戶端供回水溫度初步設(shè)置為45/40℃。

3 地巖熱系統(tǒng)配置

依據(jù)項(xiàng)目的建筑概況和設(shè)計(jì)條件，地巖熱系統(tǒng)配置如下。

3.1 地巖熱井配置

項(xiàng)目配置2口地巖熱換熱孔數(shù)量；2套地巖熱換熱器；地巖熱換熱孔有效深度暫定為2500m左右；地巖熱換熱孔的孔徑為200mm左右。根據(jù)熱負(fù)荷配置地巖熱主機(jī)1臺(tái)，供熱總熱負(fù)荷為1400kW。換熱機(jī)房利用原有鍋樓房。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行

本系統(tǒng)運(yùn)行控制系統(tǒng)分為全自動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制兩種方式。在地巖熱供暖系統(tǒng)冬季工況下，主機(jī)通過深層換熱孔從地下巖層中獲取地?zé)?，?jīng)機(jī)組提升后，制備45/40℃的供暖水輸送至建筑物末端，實(shí)現(xiàn)冬季供暖。地巖熱流程示意圖如圖2所示。

圖2 地巖熱運(yùn)行系統(tǒng)圖

3.3 末端形式

本項(xiàng)目原設(shè)計(jì)供暖末端采用鋼柱暖氣片，而無干擾地巖熱系統(tǒng)供暖熱水供、回水溫度分別為45/40℃，鋼柱暖氣片散熱速度過慢，無法適應(yīng)，適合更換為立式明裝風(fēng)機(jī)盤管或低溫散熱器，以獲得較好的供暖效果。同時(shí)，需將室內(nèi)供暖系統(tǒng)由原設(shè)計(jì)采用單管上供下回式供暖形式改為雙管下供下回式供暖形式。

經(jīng)核算，共需要立式明裝風(fēng)機(jī)盤管570臺(tái)，總用電功率最大為22.184kW。低溫散熱器共需要散熱器581臺(tái)，總用電功率最大為6.24kW。原設(shè)計(jì)采用鋼柱暖氣片供暖末端造價(jià)估算為150.37萬元；若改造為立式明裝風(fēng)機(jī)盤管或低溫散熱器，供暖末端造價(jià)估算分別為154.55萬元和196.59萬元，分別比原設(shè)計(jì)方案增加了4.18萬元和46.22萬元。此外，立式明裝風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)的風(fēng)機(jī)采用單風(fēng)機(jī)變頻控制，技術(shù)非常成熟，國內(nèi)生產(chǎn)廠家眾多，價(jià)格較低；而低溫散熱器采用的是多風(fēng)機(jī)逐級(jí)控制，與立式明裝風(fēng)機(jī)盤管的差別不大，但目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家很少，且都為國外技術(shù)，價(jià)格較高，性價(jià)比較低。

綜上所述，立式明裝風(fēng)機(jī)盤管或低溫散熱器都可適用于低溫?zé)嵩垂┡?，但立式明裝風(fēng)機(jī)盤管性價(jià)比高，優(yōu)勢(shì)明顯，本項(xiàng)目供暖末端散熱器采用立式明裝風(fēng)機(jī)盤管。

4 總投資構(gòu)成

估算編制范圍包括從工程籌建至運(yùn)行驗(yàn)收的全部建設(shè)項(xiàng)目總投資。具體內(nèi)容包括：設(shè)備費(fèi)用、工程費(fèi)用、工程建設(shè)其它費(fèi)用、基本預(yù)備費(fèi)。根據(jù)有關(guān)專業(yè)提供的主要設(shè)備材料表，參照近期類似工程決算資料及相關(guān)設(shè)備價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)設(shè)備運(yùn)雜費(fèi)已包含在設(shè)備價(jià)中；同時(shí)輔材采用建設(shè)項(xiàng)目工程所在地近期的市場(chǎng)價(jià)。

經(jīng)初步計(jì)算，總投資構(gòu)成和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別如表1、2所示。

表1 總投資構(gòu)成表 萬元

5 項(xiàng)目效益評(píng)價(jià)

根據(jù)系統(tǒng)全年常規(guī)能源代替量的計(jì)算結(jié)果，該系統(tǒng)在一個(gè)供暖季（5個(gè)月）內(nèi)為常規(guī)能源替代量約為619.09t標(biāo)準(zhǔn)煤。減少CO2排放約1622.01t，減少SO2排放約5.26t，減少氮氧排放物約4.58t，減少粉塵排放約5.94t。符合國家的“治霾”方針，保護(hù)了地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

表2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

6 結(jié)語

本文以工程實(shí)例探討了干擾地巖熱供熱系統(tǒng)在蘭州地區(qū)的應(yīng)用，得到的主要結(jié)論：

（1）開發(fā)無干擾地巖熱供熱系統(tǒng)符合國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃中提出的“綠色”發(fā)展理念，緩解了能源對(duì)國家發(fā)展的制約，同時(shí)對(duì)國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）項(xiàng)目的建成不僅節(jié)約了資源，而且有效的避免了傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境的污染，符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。