尉氏縣北某地熱供暖項目用水節(jié)水性研究

趙亞萍，王利霞

（河南省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質環(huán)境調查院，河南 鄭州 450000）

地熱是一種無污染、可再生的清潔能源，與傳統(tǒng)能源相比，具有儲量巨大、可再生、低碳、環(huán)保、可就地取用等優(yōu)勢，可以優(yōu)化能源結構，加強對地熱資源的利用有利于推進國家生態(tài)文明建設[1-2]。將地熱能源直接用于供暖是僅次于地熱發(fā)電的地熱利用方式，這種利用方式較簡單、經濟實用。

尉氏縣位于豫東平原，屬于河南省開封市[3]。地勢總趨勢是西北高、東南低，由西北向東南傾斜。尉氏縣位于通許凸起地熱分區(qū)內，境內地熱資源豐富，主要集中在尉氏縣縣城，但開發(fā)利用程度低，2018年以前以“單井獨戶”為主，未形成規(guī)模開發(fā)。目前，35眼地熱井大多用于洗浴和供暖，開發(fā)利用方式比較單一。為了提高地熱資源的可用性，避免尾水排放造成的熱污染和資源浪費、高礦化度地熱水對用戶末端供暖管道的腐蝕，建設項目采用“地熱+熱泵”的綜合能源系統(tǒng)，遵循“取熱不取水、以灌定采”的原則。本研究主要從建設項目在利用地熱資源過程中的節(jié)水工藝與技術、用水過程與水量平衡、用水水平與節(jié)水潛力等方面，評價其用水節(jié)水性，并探討對水資源的影響，以期為更加生態(tài)、環(huán)保地利用地熱資源提供依據。

1 項目概況

建設項目位于尉氏縣城，西鄰建設路，北鄰北二環(huán)，東距尉州大道700 m。項目開采的是新近系館陶組熱儲層中的地熱水，取水層位在800～1 200 m。項目開發(fā)3個小區(qū)所在區(qū)域的深層地熱資源，采用“地熱+熱泵”的綜合能源系統(tǒng)為需要供暖的建筑提供冬季供暖。本項目3個小區(qū)總建筑面積為25.20萬m2，使用面積為21.00萬m2，供暖面積為19.95萬m2，選擇已建建筑，設計熱負荷指標為30 W/m2，由此計算出3個住宅小區(qū)建筑的采暖熱負荷，本項目設計采暖總熱負荷為5.985 MW。

本項目設計6眼地熱井，深1 200 m。新近系館陶組熱儲層地熱井采、灌比例為1∶2，即1眼開采井與2眼回灌井，以達到地熱流體全部回灌進熱儲的目標。項目設計年均取水量為31.3萬m3/a，日均取水量為2 602 m3/d，取水時間為120天，每天運行24 h。本建設項目所有居民建筑現(xiàn)有采暖末端均為散熱器，熱量采用熱泵進行梯級利用。根據業(yè)主提供的資料，本建設項目地熱井出水溫度約為48 ℃，經過二級換熱后水溫在40 ℃左右，三級換熱后水溫在8 ℃左右。以此溫度為回水溫度，通過回灌加壓泵回灌到同層地下熱儲層中。

2 節(jié)水評價

2.1 工藝技術

本次建設項目采用深層地熱水作為熱泵低位熱源，集中供熱的建筑末端形式主要為地板輻射采暖。在御景灣、鼎盛國際小區(qū)各設置1個分散能源站、1個熱泵主機，采用地熱梯級循環(huán)利用、尾水集中回灌的良性模式，即地熱水直接利用提供部分熱負荷和地熱水結合水源熱泵聯(lián)合運行提供剩余熱負荷的方式。首先，對溫度較高的地熱水進行直接換熱利用；其次，將溫度較低的熱水通過熱泵繼續(xù)取熱，熱泵機組產生45 ℃/35 ℃熱水，滿足建筑末端地板供暖需求。

板換二次側：二級板換二次側30 ℃低溫熱水經熱泵蒸發(fā)器吸熱后降至20 ℃；三級板換二次側28 ℃低溫熱水經熱泵蒸發(fā)器吸熱后降至18 ℃；四級板換二次側18 ℃低溫熱水經熱泵蒸發(fā)器吸熱后降至8 ℃。熱泵冷凝器側均產生45 ℃熱水，與一級板換二次側熱水混合供給建筑末端輻射地板，輻射地板35 ℃回水分別流入熱泵冷凝器。為了最大限度地利用地熱，本方案采用三級熱泵，地熱水溫度由48 ℃降到8 ℃。二級換熱器二次側作為熱泵蒸發(fā)器循環(huán)水，提取低溫地熱流體的熱量，利用熱泵提高熱能品位，加熱熱泵冷凝器循環(huán)水，并與一級換熱器換熱后的循環(huán)水匯總，為住戶供熱。

本建設項目設計6眼地熱井（2采4回），出水溫度為48 ℃，單井出水流量為54.2 m3/h。地熱水由地熱井潛水泵抽出計量后，經過濾器過濾除砂后進入直供板換熱，然后進入中間水板換熱，地熱尾水直接用泵加壓輸送回灌至同層。

地熱水從生產井輸送至地熱站，經過換熱器提取熱量，并將熱量傳遞至采暖水系統(tǒng)。地熱水溫度降低后，輸送至回灌井注入地下熱儲層，實現(xiàn)地熱水采補平衡。地熱水與用戶末端系統(tǒng)進行間接換熱，避免了高礦化度地熱水對用戶末端供暖管道的腐蝕，最大限度地利用了地熱尾水的熱量。地熱水通過板式換熱器將熱量傳遞給供熱管道循環(huán)水，對地熱進行循環(huán)利用。地熱水和采暖循環(huán)水為兩套獨立的系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)中的水不摻混。

本項目損失水量源于用戶終端地熱管道放水，節(jié)水措施主要是加強管理人員業(yè)務培訓，強調要經常巡查供水管道，及時發(fā)現(xiàn)回水管道跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，按照取水規(guī)程經常取水沖洗回水井以免淤積；安排專人每月抄表、按時上報水量，建立管水用水檔案；定期維護、及時檢修損壞設備，對小區(qū)住戶加強節(jié)水法規(guī)、節(jié)水知識宣傳等。

2.2 用水過程和水量平衡分析

尉氏縣御景城、鼎盛國際、法蘭西小鎮(zhèn)小區(qū)地熱供暖工程項目用水為小區(qū)地熱換熱器取用地熱水。地熱供暖工藝設計情況：開采出水溫度為48 ℃、出水量為108.4 m3/h的地熱井水，用耐熱潛水電泵提取，經旋流除砂器除砂后進入一級換熱器一次側，地熱尾水溫度降至40 ℃，再經過二級換熱器一次側，地熱尾水溫度降至8 ℃，經粗效、精密兩級過濾和排氣罐排氣，最終輸送至6眼回灌井中。二級換熱器二次側作為熱泵蒸發(fā)器循環(huán)水，提取低溫地熱流體的熱量，利用熱泵提高熱能品位，加熱熱泵冷凝器循環(huán)水，并與一級換熱器換熱后的循環(huán)水匯總，為住戶供熱。小區(qū)設計的供暖面積為19.95萬m2、平均熱負荷指標為30 W/(h·m2)。若尉氏縣御景城、鼎盛國際、法蘭西小鎮(zhèn)小區(qū)全部采用地熱供暖，年需水量為31.3萬m3（日需水量為2 602 m3，合108.4 m3/h，供暖時間按120天考慮）。

2.3 用水效率

本項目采暖指標為30 W/(h·m2)，低于GB/T 51074—2015《城市供熱規(guī)劃規(guī)范》中提出的多高層住宅采取節(jié)能措施采暖熱指標35～45 W/(h·m2)，低于鄭州與西安地區(qū)指標標準。

本項目中地熱水由地熱井潛水泵抽出計量后，過旋流除砂器進行過濾除砂，然后經由輸水管線輸送到地熱集中供熱站房。地熱水進入供熱站房后，用熱泵梯級利用熱量，降到8 ℃的地熱尾水由輸水管線經過精密回灌過濾裝置，利用回灌加壓泵回灌到地下層中，實現(xiàn)地熱水零排放。在整個過程中，地熱水只用于熱量的載體輸送，不消耗、不排放地熱水，等量回灌到同層地下熱儲層中。因此，本建設項目不產生廢水。

2.4 節(jié)水潛力分析

盡量增加地熱水直接換熱量；利用熱泵梯級利用技術充分利用地熱資源；實行按需供熱，根據地方氣象部門的大氣溫度預報資料進行供熱量預調節(jié)，采用變頻水泵控制開采地熱水量；做好水源熱泵機組和水處理設備的保養(yǎng)維護工作，既要滿足供暖需求，又要有效實現(xiàn)地下水的循環(huán)利用，同時做好設備維修工作，防止出現(xiàn)跑、冒、露、滴現(xiàn)象；取用水人員應按水行政主管部門批準的水量取水，在取水口安裝合格的計量設施，準確記錄取水量；做好回灌井的管理工作，保證回灌在密閉條件下進行，防止水量損失和水質污染[4]。

3 取水影響分析

3.1 對水資源的影響

3.1.1 對地熱水水資源的影響

尉氏縣御景城、鼎盛國際、法蘭西小鎮(zhèn)小區(qū)地熱供暖項目擬開采新近系800～1 200 m深的館陶組熱儲層，埋藏深、滲透性、連通性差，不能接受地表大氣降水的直接補給，只有微弱的側向徑流補給，屬于半封閉的深層承壓水系統(tǒng)。在未回灌的情況下，地熱水的開采以地下含水層壓力的消耗為代價，即開采過程中熱儲壓力下降，地熱井水位埋深逐年提升。本項目設計取水與回灌全封閉同時進行，堅持采灌同層，用水過程中嚴格遵循取熱不取水、依灌定采原則。本項目開采深層地熱水，提取熱水中的熱能后全部回灌到同層，因此對深層地熱水資源的影響較小。

地熱資源的補給較為緩慢，熱儲層儲存的熱量有限，地熱供暖項目長期開采熱儲層的熱量必然會減少地熱流體和巖石儲存的熱量，造成地熱資源量衰減、熱儲層出水溫度降低。

3.1.2 對淺層和深層地下水的影響

根據區(qū)域地熱地質條件，本項目地熱井開采館陶組熱儲層，地熱井采用嚴格的施工工藝，全井身均下入套管，擬開采的熱儲層位之上均采取止水措施。隨著時間的延長，井管外由于孔壁的自然坍塌與淤積，地熱水與深層或淺層地下水的串層概率極小。因此，本項目取用深層地熱水，對深層或淺層地下水影響較小。

3.2 對水功能區(qū)的影響

項目取水為深層地熱水，不影響尉氏縣地表水、淺層和中深層地下水資源量，取水的同時全部回灌。因此，本項目取水不會改變河道水質，不影響水功能區(qū)的水質現(xiàn)狀。

3.3 對水生態(tài)的影響

降水量和地表徑流很難通過深厚的地層對目標含水層進行垂向補給，補給比例較小。因此，本項目的取水對該區(qū)河段徑流過程影響甚微。本項目地熱供暖項目取水回灌全封閉進行，不外排，因此不會改變河道水質，不會導致項目區(qū)河段內魚類和水生生物群種滅絕，對水生態(tài)環(huán)境影響甚微。

4 結語

建設項目設計地熱井6眼（2抽4灌），采用深層地熱水作為熱泵低位熱源，集中供熱的建筑末端形式主要為地板輻射采暖，地熱尾水直接用泵加壓輸送回灌至同層。整個過程實現(xiàn)了等量同層回灌，取熱不取水，不消耗熱水。項目取用深層地熱水，對深層或淺層地下水影響較小，不影響水功能區(qū)的水質現(xiàn)狀，對水生態(tài)環(huán)境影響甚微。