中深層地巖熱技術(shù)在寧夏地區(qū)的應(yīng)用展望

楊海鴻 管東海 王翠萍 陳彥蘇 楊明秀

（1.甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730020；2.寧夏蔚來(lái)新材料研究院有限公司,寧夏 銀川 750004；3.寧夏建筑科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心,寧夏 銀川 750004.）

1 中深層地巖熱供熱技術(shù)

1.1 地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用技術(shù)及現(xiàn)狀

地?zé)崮苁且环N存在于地球內(nèi)部巖土體、流體和巖漿體中的可再生能源。由于地球表面受太陽(yáng)輻射和地球內(nèi)部有放射性元素的衰變，地球內(nèi)部不斷產(chǎn)生熱能，所以地球內(nèi)部溫度很高，而且深度越深溫度越高，平均深度每增加100 m地層溫度升高3.0 ℃左右。地?zé)崮芫哂袃?chǔ)量豐富、分布廣泛、穩(wěn)定可靠、清潔低碳等獨(dú)特的優(yōu)越性，已成為國(guó)內(nèi)外能源轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一。

地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要形式包括淺層地?zé)崮堋⑺疅嵝偷責(zé)崮?、巖熱型地?zé)崮艿?，地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要技術(shù)形式及特點(diǎn)如圖1所示。

圖1 地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用技術(shù)及特點(diǎn)

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院資料顯示，我國(guó)地?zé)崮苜Y源極其豐富且分布廣泛，約占全球地?zé)豳Y源總量的1/6，中低溫地?zé)崽铮?5～150 ℃）遍布全國(guó)。水熱型地?zé)豳Y源量折合1.25萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤，年可開(kāi)采量折合19億t標(biāo)準(zhǔn)煤；地下3 000～10 000 m的深層干熱巖地?zé)崮芟喈?dāng)于856萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]，按國(guó)際通行的2%可開(kāi)采資源量計(jì)算，相當(dāng)于我國(guó)目前年能源消耗總量的3 400多倍。

目前我國(guó)地?zé)崮苤饕眯问綖樗疅嵝图皽\層地?zé)崮?，地?zé)崮苤苯永靡?guī)模現(xiàn)居世界首位。我國(guó)336個(gè)地級(jí)以上城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)，淺層地?zé)崮苣昕砷_(kāi)采資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7億t，中深層地?zé)崮苣昕砷_(kāi)采資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤19億t[2]。

1.2 中深層地巖熱供熱技術(shù)原理

中深層地巖熱供熱技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，已成為地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要方式之一。

中深層地巖熱供熱技術(shù)利用地層中普遍存在的地溫梯度，通過(guò)鉆機(jī)向地下深度2 000～3 000 m、溫度70～90 ℃的中高溫巖土層鉆孔，孔徑約200 mm，在鉆孔中安裝密閉的高性能金屬換熱器，利用換熱器將地下深處的熱能導(dǎo)出，再通過(guò)地上地巖熱主機(jī)系統(tǒng)向建筑物或其他熱用戶(hù)持續(xù)穩(wěn)定供熱。其與冷卻水塔等冷源端結(jié)合后，還可實(shí)現(xiàn)夏季空調(diào)制冷。中深層地巖熱供熱技術(shù)原理示意圖如圖2所示。

圖2 中深層地巖熱供熱技術(shù)原理示意圖

1.3 中深層地巖熱供熱技術(shù)特點(diǎn)

中深層地巖熱供暖技術(shù)具有井下封閉換熱、取熱不取水、對(duì)自然環(huán)境無(wú)干擾的特點(diǎn)，是綠色低碳的清潔供暖方式，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。與其他幾種主要的可再生能源相比，中深層地巖熱既不存在太陽(yáng)能、風(fēng)能等容易受天氣變化影響，不穩(wěn)定、不連續(xù)，需要增加儲(chǔ)能、調(diào)峰等環(huán)節(jié)的問(wèn)題，又能克服淺層土壤源熱泵熱總量小、熱補(bǔ)償不易平衡，長(zhǎng)期使用易出現(xiàn)“熱衰減”，造成效率下降、后期運(yùn)行費(fèi)用逐漸增加的問(wèn)題，還可以徹底避免水熱型技術(shù)取用地下水、100%同層回灌困難、地下水資源受到嚴(yán)格保護(hù)的問(wèn)題。其具有以下顯著特點(diǎn)。

（1）普遍適用。

地下處處都有地?zé)崮?，熱源可再生且穩(wěn)定，具有普遍適用性，換熱孔位置的選定比較靈活，一般不受場(chǎng)地條件制約。

（2）安全可靠。

地下?lián)Q熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命長(zhǎng)（不小于30年）。地巖熱換熱孔孔徑?。s200 mm），深度在1 000 m以上，對(duì)建筑地基無(wú)任何影響；全系統(tǒng)低溫低壓運(yùn)行，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)穩(wěn)定，無(wú)安全隱患，可靠性高。

（3）自主供熱，靈活建設(shè)，適用范圍廣。

系統(tǒng)供熱不受氣候環(huán)境、燃?xì)?、熱力等外?gòu)能源的限制，自主供熱，自動(dòng)化程度高，無(wú)人值守；建設(shè)可根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度分期、分步建設(shè)，實(shí)現(xiàn)片區(qū)乃至樓棟的分布式自主供熱。

（4）運(yùn)行成本低廉。

系統(tǒng)無(wú)長(zhǎng)距離輸送動(dòng)力能耗和沿程溫降損失，單個(gè)換熱孔可滿足500～700 kW的熱負(fù)荷，全系統(tǒng)能效比COP值可達(dá)到5.0以上，運(yùn)行成本低廉。

（5）綠色低碳。

系統(tǒng)無(wú)廢氣、廢液、廢渣排放，能量來(lái)自深層地?zé)崮埽紲p排效果顯著；系統(tǒng)與地下巖層物理隔離，只取熱不取水，對(duì)地上、地下水環(huán)境均無(wú)干擾。

2 發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 中深層地巖熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，中深層地巖熱供暖技術(shù)在陜西、河南、山東、內(nèi)蒙古、北京等地得到了快速發(fā)展，已投入使用的建筑面積超過(guò)2 000萬(wàn)m2，最具代表性的是陜西西咸新區(qū)中國(guó)西部科技創(chuàng)新港項(xiàng)目，該項(xiàng)目供暖面積為159萬(wàn)m2，總熱負(fù)荷75.69 MW，共6座分布式能源站，91口地?zé)峋?022年3月北京城市副中心站綜合交通樞紐工程中深層地?zé)崾痉俄?xiàng)目通過(guò)評(píng)審驗(yàn)收，該項(xiàng)目地巖熱換熱井深2 745 m，穩(wěn)定輸熱能力實(shí)現(xiàn)550 kW，最高超過(guò)660 kW，可向2.5萬(wàn)m2建筑供暖。甘肅省天水市職教園區(qū)中深層無(wú)干擾地巖熱系統(tǒng)供熱（制冷）項(xiàng)目，供熱面積60萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)3座分布式能源站，采用32口換熱井滿足供熱和制冷需求。

據(jù)相關(guān)報(bào)告，在天津、河北亦有中深層地巖熱供熱項(xiàng)目建成，為該技術(shù)在全國(guó)不同地區(qū)推廣應(yīng)用起到了引領(lǐng)示范作用。此外，上海、山東、黑龍江、河南等省市也積極開(kāi)展深層地源熱泵供熱工程示范，截至2016年年底，全國(guó)建成的示范工程面積已超過(guò)600萬(wàn)m2?？梢钥闯觯顚拥卦礋岜迷诮ㄖ岱矫娴膽?yīng)用已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[3]。

國(guó)內(nèi)主要中深層地巖熱技術(shù)示范工程一覽表如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)主要中深層地巖熱示范工程一覽表

2.2 中深層地巖熱供熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

采用中深層地巖熱供暖技術(shù)，一次性初始投資略高，但后期運(yùn)行成本較低，全系統(tǒng)每平方米供熱面積投資230～260元。根據(jù)相關(guān)示范工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，全采暖季（150天）運(yùn)行費(fèi)用最低0.9元/（月·m2），最高2.3元/（月·m2）［電價(jià)按0.5元/（kw·h）計(jì)算］。以10萬(wàn)m2建筑計(jì)算，若采用中深層地巖熱供熱系統(tǒng)，按現(xiàn)行北方取暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，每年相比集中供熱可節(jié)約費(fèi)用150萬(wàn)元以上，且建筑規(guī)模與供熱能力匹配程度越高、智能控制技術(shù)越適用，建筑本體節(jié)能效果越好，單位面積初始投資費(fèi)用就越低。

2.3 中深層地巖熱技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.3.1 U型對(duì)接地?zé)峋到y(tǒng)

U型對(duì)接地?zé)峋到y(tǒng)與同軸套管換熱方式類(lèi)似，只取熱不取水，采用水平井與直井對(duì)接的方式，冷水進(jìn)水平井，熱水從直井出，此種方式水平段有效增加換熱面積，同時(shí)換熱量較同軸套管大幅增加。陜西煤炭地質(zhì)集團(tuán)已經(jīng)成功完成2組U型地?zé)峋你@探工作，井下對(duì)接技術(shù)工藝在地?zé)嵝袠I(yè)中尚屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)，但U型對(duì)接地?zé)峋到y(tǒng)缺乏相應(yīng)的理論研究，換熱效率及井筒溫度場(chǎng)變化規(guī)律等有待進(jìn)一步研究。

2.3.2 CO2熱管開(kāi)采技術(shù)

熱管利用管內(nèi)工質(zhì)的相變，可以將熱量迅速地從高溫端傳輸?shù)降蜏囟恕峁芫哂休^高的傳熱性能和優(yōu)良的等溫性能等特點(diǎn)。CO2熱管開(kāi)采技術(shù)的突出特點(diǎn)是將CO2地質(zhì)封存與熱管采熱相結(jié)合，在壓裂后的熱儲(chǔ)中注入CO2工質(zhì)，繼而利用熱管內(nèi)流體工質(zhì)的蒸發(fā)—凝結(jié)相變過(guò)程將熱儲(chǔ)中的熱能傳輸至地面。與較常規(guī)流體介質(zhì)（如水）相比，CO2具有更好的熱膨脹性能，在相同的溫度差下可以獲得更大浮升力/沉降力；同時(shí)CO2的黏性系數(shù)也小于水，在相同的壓力差下可以獲得更大的滲流速度。在深層干熱巖對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件下CO2工質(zhì)處于超臨界狀態(tài)，采熱過(guò)程中熱管附近工質(zhì)溫度的下降會(huì)在熱儲(chǔ)中形成較強(qiáng)的自然對(duì)流作用，從而達(dá)到提高熱管采熱率的目的。選擇重力熱管內(nèi)流體工質(zhì)時(shí)，工質(zhì)的工作溫度是最主要的考慮因素。當(dāng)熱管工質(zhì)為蒸餾水時(shí)，工作溫度區(qū)間為30～250 ℃，十分符合高溫巖熱型地?zé)豳Y源的溫度范圍，因此可以采用蒸餾水作為管內(nèi)流體工質(zhì)。

2.3.3 構(gòu)建多能互補(bǔ)的區(qū)域能源系統(tǒng)

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)是指可包容多種能源資源輸入，并具有多種產(chǎn)出功能和輸運(yùn)形式的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。它不是多種能源的簡(jiǎn)單疊加，而是在系統(tǒng)高度上按照不同能源品位的高低進(jìn)行綜合互補(bǔ)利用，并統(tǒng)籌安排好各種能量之間的配合關(guān)系與轉(zhuǎn)換使用，以取得最合理的能源利用效果與效益。

中深層地巖熱具有穩(wěn)定可靠、綠色低碳的特點(diǎn)，作為區(qū)域供能系統(tǒng)中的基礎(chǔ)熱源，可與其他多種清潔能源構(gòu)成多能互補(bǔ)的供熱系統(tǒng)，如與太陽(yáng)能、空氣源熱泵、淺層土壤源熱泵、天然氣鍋爐、水熱型地?zé)崮艿葮?gòu)成多能互補(bǔ)的供能系統(tǒng)，可滿足全年生活熱水、供熱、制冷的需求，同時(shí)可減小中深層地巖熱系統(tǒng)的設(shè)備容量，降低初期投資，系統(tǒng)運(yùn)行期間設(shè)備利用率提高，能效也隨之提高，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3 寧夏地區(qū)應(yīng)用展望

3.1 清潔能源開(kāi)發(fā)與利用

高效開(kāi)發(fā)利用清潔能源是推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、能源革命，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的根本路徑。2012年，寧夏成為全國(guó)首個(gè)新能源綜合示范區(qū)，截至2021年，其新能源累計(jì)裝機(jī)達(dá)2 574萬(wàn)kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的43%，新能源電力消納比重達(dá)21.43%，居全國(guó)第二。2020年，習(xí)近平總書(shū)記視察寧夏時(shí)賦予寧夏建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)的時(shí)代使命，同年寧夏將清潔能源作為九個(gè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一，并提出推動(dòng)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)淺層、中深層地?zé)崮?。因此，地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用在寧夏地區(qū)有著優(yōu)良的產(chǎn)業(yè)環(huán)境。

3.2 地?zé)豳Y源的分布及特點(diǎn)

中深層地巖熱的開(kāi)發(fā)主要基于地溫梯度原理，地溫梯度指地球不受大氣溫度影響的地層溫度隨深度增加的增長(zhǎng)率。地溫梯度隨地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境等呈不同變化。寧夏回族自治區(qū)地處高原與山地交錯(cuò)帶，大地構(gòu)造復(fù)雜，從西面、北面至東面，由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍，南面與黃土高原相連；地形南北狹長(zhǎng)，地勢(shì)南高北低，西部高差較大，東部起伏較緩[4]。

寧夏回族自治區(qū)的地?zé)豳Y源，得到充分開(kāi)發(fā)利用的地區(qū)主要處于銀川盆地。中國(guó)大陸整體的平均熱流值為63 mW/m2，地溫梯度一般為3.0 ℃/100 m。銀川盆地帶屬于熱區(qū)，平均熱流值為66 mW/m2，區(qū)域地質(zhì)資料相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，其地溫梯度明顯偏高，一般為3.2 ℃/100 m。本區(qū)熱異常主要來(lái)源于地層深部地?zé)嵩鰷丶把財(cái)嗔褬?gòu)造的熱水上移對(duì)流。由于基底巖層和蓋層的熱導(dǎo)率差異較大，形成了侏羅系基底突變?cè)鰷氐漠惓Ｌ卣鳎沟弥猩顚拥貛r熱技術(shù)具有良好的開(kāi)發(fā)利用基礎(chǔ)條件。銀川盆地內(nèi)各地區(qū)低溫梯度如圖3所示。

圖3 銀川盆地地溫梯度變化示意圖

3.3 相關(guān)政策支持

2021年9月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等8部委印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的若干意見(jiàn)》（國(guó)能發(fā)新能規(guī)〔2021〕43號(hào)），明確了發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)：到2025年，地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e比2020年增加50%；到2035年，地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e及地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)容量力爭(zhēng)比2025年翻一番[5]。

2022年9月，寧夏回族自治區(qū)人民政府辦公廳印發(fā)的《寧夏回族自治區(qū)能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》（寧政辦發(fā)〔2022〕65號(hào)）明確提出：積極推進(jìn)可再生能源供暖，利用熱泵等技術(shù)積極推廣淺層地?zé)崮芄┡?，重點(diǎn)在銀川平原探索開(kāi)展中深層地?zé)崮芄┡痆6]。

2022年10月，中共寧夏回族自治區(qū)委員會(huì)和寧夏回族自治區(qū)人民政府印發(fā)的《寧夏回族自治區(qū)碳達(dá)峰實(shí)施方案》（寧黨發(fā)〔2022〕30號(hào)）明確提出：“鼓勵(lì)大力發(fā)展新能源，積極推廣淺層地?zé)崮芄┡?，探索開(kāi)展中深層地?zé)崮芄┡薄胺e極發(fā)展地?zé)崮芄┡?，因地制宜開(kāi)展淺層、中深層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用”[7]。

以上政策，對(duì)中深層地巖熱技術(shù)在寧夏地區(qū)尤其是銀川盆地的推廣應(yīng)用起到了強(qiáng)有力的支持作用，結(jié)合寧夏地區(qū)的地?zé)豳Y源特點(diǎn)，中深層地巖熱技術(shù)將對(duì)寧夏地區(qū)清潔供熱、能源結(jié)構(gòu)體系調(diào)整、“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮積極的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

中深層地巖熱技術(shù)作為地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要技術(shù)之一，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。寧夏地區(qū)尤其是銀川盆地，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、地溫梯度較高，非常適合中深層地巖熱技術(shù)的應(yīng)用。寧夏回族自治區(qū)清潔供熱、能源發(fā)展規(guī)劃、“雙碳”目標(biāo)實(shí)施方案等相關(guān)政策的發(fā)布，對(duì)中深層地巖熱技術(shù)在該地區(qū)的推廣應(yīng)用具有很強(qiáng)的引導(dǎo)作用，同時(shí)中深層地巖熱技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于區(qū)域能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、特色城市的打造等具有很好的支持作用。