通遼市科左中旗保康鎮(zhèn)地熱回灌供暖系統(tǒng)節(jié)能效益分析

［關鍵詞］地熱回灌；供暖；節(jié)能效益

隨著人類生活水平的提高，能源和環(huán)境問題日益突出，給生活和發(fā)展帶來了巨大的壓力。為解決這些問題，探索更加清潔、環(huán)保的能源是當務之急。地熱回灌供暖系統(tǒng)作為一種新型的供暖技術，不僅能夠有效利用地下熱能，還能顯著減少溫室氣體排放，具有廣闊的應用前景[1]。取熱不取水是地熱資源可持續(xù)利用的基本原則。合理回灌，保持地熱水資源的采補平衡，通過循環(huán)方式利用地熱資源，是可持續(xù)利用資源的模式[2]。地熱供暖系統(tǒng)具有地熱資源近乎免費的優(yōu)勢，但由于回灌能力具有受當?shù)氐刭|條件影響的特殊性，所以，根據(jù)當?shù)氐刭|條件特征合理選擇供暖自控策略尤為重要[3]。

國內(nèi)外對地熱資源的梯級開發(fā)利用做過大量研究，ZHENG 等[4] 在研究中指出，同燃煤供暖系統(tǒng)相比，地熱梯級供暖系統(tǒng)在最優(yōu)策略下系統(tǒng)可節(jié)約75.1%的標準煤，具有節(jié)能效益。我國水熱型地熱資源總量折合標準煤1.25×10¹² t，水熱型地熱資源年可采量折合標準煤19×10⁸ t[5]。水熱型中深層地熱資源的利用方式包括發(fā)電與供熱兩種，以建筑采暖利用居多，截至2019 年底，我國北方地區(qū)水熱型地熱采暖面積累計已達2.82×10⁸ m²[6]。

內(nèi)蒙古地區(qū)雖然擁有豐富的地熱資源，但開發(fā)程度相對較低。2019 年內(nèi)蒙古自治區(qū)自然資源廳申請開展了“內(nèi)蒙古自治區(qū)城市地熱資源勘查與示范工程”專項工作，一項子專題“通遼地區(qū)科左中旗?？垫?zhèn)水熱型地熱開發(fā)利用與保護示范研究專題”成功建立了一套地熱回灌開采示范工程，該工程為自治區(qū)首次建立地熱回灌供暖系統(tǒng)，不僅可以作為示范小區(qū)的能源替代方案，還可以為其他地區(qū)展示地熱回灌開采的可行性和效益，為區(qū)內(nèi)其他地區(qū)開展類似項目提供了借鑒和指導經(jīng)驗。

本文通過分析該示范工程實測的一個采暖期內(nèi)地熱回灌供暖系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，總結運行經(jīng)驗，為類似地區(qū)的地熱供暖工作提供借鑒，同時對該供熱系統(tǒng)具備的節(jié)能效益進行評價。

1. 供暖監(jiān)測系統(tǒng)概況

目前保康鎮(zhèn)供暖以傳統(tǒng)的燃煤集中供暖為主。本次供暖系統(tǒng)為附近某小區(qū)提供熱源，該小區(qū)共計11棟住宅單體和1 棟物業(yè)配套用房，供暖建筑面積約為40221.78 m²，根據(jù)相關項目暖通設計圖紙，總供暖熱負荷為1693.7 kw，供暖系統(tǒng)設計按照單體熱負荷1.2倍計算，即2032.44 kw，建筑最高層數(shù)為8層，最高為22.85 m，供暖系統(tǒng)為低區(qū)系統(tǒng)。系統(tǒng)于2021年10月21日正式啟動并進行供暖。

系統(tǒng)主要使用一級、二級板式換熱器，熱泵機組將一次網(wǎng)地熱流體的熱給到二次網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)水加熱，通過二次網(wǎng)管道循環(huán)泵將加熱后的二次側系統(tǒng)循環(huán)水為建筑用戶供暖。

圖1為該小區(qū)供暖系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測參數(shù)包括溫度、流量、壓力、水位、電量，共設置溫度測量裝置13個、壓力測量裝置8個、流量測量裝置3個、水位測量裝置1個和電量測量裝置1個。

2. 運行數(shù)據(jù)分析

2.1地熱井運行數(shù)據(jù)

地熱井內(nèi)的地熱流體作為示范站供暖熱源。為保證熱源供熱質量，同時防止因開采量過大引起掉泵，需科學選擇開采量，保持適宜的流體溫度。

圖2為開采井口運行數(shù)據(jù)歷史曲線圖，通過監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，在144 d的運行周期內(nèi)示范站地熱井流量設定在70～93 m³/h，動水位埋深在57～80 m之間，一次網(wǎng)側進口流體溫度一直保持在42℃左右。除調(diào)整流量外，動水位埋深沒有明顯下降的趨勢，也未出現(xiàn)熱突破的現(xiàn)象。

供暖初期，室外溫度在0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，開采量在80 m³/h左右；

供暖中期，室外溫度在0℃以下，供熱量需求較高，使用一、二級板換和熱泵進行供熱，開采量在75 m³/h左右；

供暖末期，室外溫度恢復到0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，開采量在80 m³/h左右。

2.2換熱運行數(shù)據(jù)

地熱入（一）溫度、地熱出（一）溫度為一級板式換熱器一次網(wǎng)側進出溫度，換熱供（一）溫度、換熱回（一）溫度為經(jīng)過一級板式換熱器換熱二次網(wǎng)側的供水和回水溫度。圖3為一級板式換熱器換熱溫度數(shù)據(jù)在本供暖季運行的歷時曲線圖，地熱入（一）溫度一直保持在42℃左右，曲線中出現(xiàn)溫度低于42℃的情況為地熱井臨時停泵引起的；地熱出（一）溫度在30～40℃范圍內(nèi)，大部分溫度數(shù)據(jù)在34～36℃區(qū)間波動；換熱供（一）溫度在34.5～41.7℃范圍內(nèi)，大部分溫度數(shù)據(jù)在38～40℃區(qū)間內(nèi)波動；換熱回（一）溫度在30.5～39.5℃范圍內(nèi)，大部分溫度數(shù)據(jù)在34℃左右波動。

地熱入（二）溫度、地熱出（二）溫度為二級板式換熱器一次網(wǎng)側進出溫度，換熱供（二）溫度、換熱回（二）溫度為經(jīng)過二級板式換熱器換熱熱泵機組側的供水和回水溫度，熱泵供溫度、熱泵回溫度為經(jīng)過熱泵機組換熱二次網(wǎng)側的供水和回水溫度。圖4為二級板式換熱器及熱泵機組換熱溫度數(shù)據(jù)在本供暖季運行的歷時曲線圖，地熱入（二）溫度在30～40℃范圍內(nèi)，大部分溫度數(shù)據(jù)在34～36℃區(qū)間波動；地熱出（二）溫度在25.37～36.76℃范圍內(nèi)，此溫度受熱泵機組控制，熱泵機組啟動時溫度能降到32℃以下，熱泵機組停止時溫度在32℃以上；換熱供（二）溫度在27.18～37.76℃范圍內(nèi)，換熱回（二）溫度在19.95～34.99℃范圍內(nèi)；熱泵供溫度在34.5～41.7℃范圍內(nèi)，大部分溫度數(shù)據(jù)在36℃左右波動；熱泵回溫度在30.5～39.5℃范圍內(nèi)，大部分溫度數(shù)據(jù)在34℃左右波動，熱泵機組供回水溫差在2℃左右。

供暖從2021年10月20日開始，室外溫度在-21.76～19.32℃范圍內(nèi)，0℃以上的天氣有25 d占17.4%，0℃以下的天氣有119 d占82.6%，冬季較為寒冷，見圖5。

一級板式換熱器與熱泵機組的水混合在一起為總供水和回水，供水溫度32.77～43.42℃ ，回水溫度30.55～39.53℃，溫差一般在2.5～3.5℃之間，比較穩(wěn)定，室內(nèi)溫度一直保持在25～26℃。以上數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)運行良好，供熱效果優(yōu)異。

供熱系統(tǒng)總供水和回水溫度的差值，總供回溫差數(shù)值在1.33～4.22℃范圍內(nèi)，二次網(wǎng)側的總流量158.5～291 m³/h，供熱系統(tǒng)提供的熱量46.63～117.77 GJ，系統(tǒng)提供的供熱量對應當日的室外溫度及用戶端的需求，見圖6。

2.3回灌運行數(shù)據(jù)

地熱流體經(jīng)過換熱提取熱量，通過回灌系統(tǒng)凈化水質，使用管道加壓泵使其回灌至回灌井內(nèi)。回灌量在18.6～54 m³/h范圍內(nèi)，回灌壓力最大1.08 MPa，回灌溫度在25.37～36.76℃范圍內(nèi)；回灌量對應回灌壓力較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的回灌衰減問題。對2021年11月12日～2022年3月12日的供暖數(shù)據(jù)分析可知，回灌量為20 m³/h左右，穩(wěn)定壓力約0.39 MPa；回灌量為33 m³/h 左右，穩(wěn)定壓力約0.72 MPa，見圖7。

該地區(qū)以前未開發(fā)過地熱資源，地熱井在開采前壓力水頭0.10 MPa，存在自流現(xiàn)象?；毓嗑壳凹訅褐?.74 MPa 時，能回灌32.5 m³/h，整體系統(tǒng)回灌率能達到40%左右，當該地區(qū)使用地熱資源并使區(qū)域熱儲壓力下降至一定程度后，系統(tǒng)回灌率能上升，能達到采灌平衡的狀態(tài)，使得地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用。

3. 節(jié)能效益分析

冬季采暖室外溫度變化，為了維持室內(nèi)溫度恒定、保護地熱資源并且減少運行成本，系統(tǒng)運行地熱井開采量及熱泵開啟功率應根據(jù)室外溫度變化適時調(diào)節(jié)。

試運行階段根據(jù)氣溫，調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)各個設備運行狀態(tài)，系統(tǒng)試運行初期，開采量波動比較大，在70～93 m³/h范圍內(nèi)不斷調(diào)試，當氣溫在0℃以上，選擇潛水泵僅帶一級板式換熱器，不啟用熱泵機組及二級板式換熱器，二次網(wǎng)供水溫度能達到37～39℃、回水溫度能達到35.5～37℃，住戶室內(nèi)溫度能達到23～27℃；系統(tǒng)耗電功率為65～79 kW/h，節(jié)能效果顯著。

當氣溫在0℃以下，選擇啟動熱泵機組熱泵回水溫度設定在35～36℃，二次網(wǎng)供水溫度能達到37～41℃、回水溫度能達到35.5～37℃，住戶室內(nèi)溫度能達到23～27℃；系統(tǒng)瞬時功率為85～206 kW，供熱效果優(yōu)異。

2021年11月9日，?？垫?zhèn)本供暖季遭遇第一場大雪，氣溫驟降至零下，用戶體感溫度偏低，選擇開啟熱泵，并設定較高溫度，以保證居民樓室內(nèi)溫暖。如圖8所示，11月9日當天，瞬時功率在317～321 kW 之間，室內(nèi)溫度保持在27℃以上。動態(tài)監(jiān)測平臺顯示，此階段功耗較高，節(jié)能程度低。

通過分析監(jiān)測平臺動態(tài)運行數(shù)據(jù)，根據(jù)室外溫度，保證供暖效果的前提下，科學調(diào)整熱泵開啟時間及運行方式，節(jié)能調(diào)控降低非必要功耗損失。見圖9，12月25日，室外溫度在0：00～6：00，18：00～24：00時間段處于全天平均溫度-10℃以下，最冷達-16℃，在此時間段運行熱泵機組，系統(tǒng)瞬時功率199～317 kW，最高為317 kW；室外溫度在6：00～18：00時間段處于全天平均溫度-10℃以上，最高溫度達0℃，在此時間段內(nèi)間歇運行熱泵機組，系統(tǒng)瞬時功率86.4～270 kW，最低為86.4 kW。

圖10顯示，12月26日，室外溫度在0：00～8：00，20：00～24：00時間段處于全天平均溫度-8℃以下，最冷達-15.5℃，在此時間段內(nèi)運行熱泵機組，系統(tǒng)瞬時功率在199～314 kW之間，最高為314 kW；室外溫度在8：00～20：00時間段處于全天平均溫度-8℃以上，最高溫度達7.3℃，在此時間段內(nèi)間歇運行熱泵機組，系統(tǒng)瞬時功率在159～271 kW之間，最低為159 kW。

能效比是能源轉換效率之比，能效比越大，意味著節(jié)能效果越好。系統(tǒng)日運行能效比見圖11，熱泵未開啟，熱泵開啟，能效在4～5范圍內(nèi)波動。

供暖初期，室外溫度在0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，日均能效比在5～8.5范圍內(nèi)波動；

供暖中期，室外溫度在0℃以下，供熱量需求較高，使用一、二級板換和熱泵進行供熱，日均能效比在4～5范圍內(nèi)波動；

供暖末期，室外溫度恢復到0℃以上，供熱量需求較低，只使用一級板換進行供熱，日均能效比在5～6.3范圍內(nèi)波動。

4. 討論

4.1該系統(tǒng)具有顯著的環(huán)境效益

本次地熱資源開發(fā)采用了循環(huán)利用集約化供熱工藝，可有效減少常規(guī)燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量，累計減少CO₂排放量115.1×10⁴ kg；累計減少SO₂和NO_X排放量13979 kg；累計減少粉塵排放量4659.85 kg，節(jié)能減排效果明顯，具有良好的環(huán)境效益。該系統(tǒng)的推廣會對推動能源結構轉換、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標起到重要作用。

4.2該系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟效益

截至2022年3月19日，系統(tǒng)累計運行時間3500.41 h，累計耗電量64.49×10⁴ kwh，系統(tǒng)運行費用約為32.245 萬元（電價按照0.5元/度計）；對比燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)（這是標準煤，計算公式需要用能效公式計算），燃煤鍋爐需燃煤46.6×10⁴ kg（標準煤）才能保障居民供暖效果，運行費用高達121萬元（時價2600元/噸）（這里一般要換算成原煤），具有良好的經(jīng)濟效益。

當然在評估地熱回灌供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟效益時，需要考慮多個因素，包括投資回收周期、運營成本、節(jié)約能源費用等。因2021年煤價較高，本系統(tǒng)運營成本與燃煤相比優(yōu)勢較為明顯。國內(nèi)其他地區(qū)地熱回灌供暖系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，通過地熱供暖可以帶來顯著的經(jīng)濟效益。

5. 結語

通過一個供暖周期試運行，成功驗證了在高緯度地區(qū)利用40～45℃的地熱流體進行集中供暖利用可行性，為內(nèi)蒙古自治區(qū)大部分地熱資源品質較為普通（溫度低于50℃）的地區(qū)開發(fā)利用地熱資源提供了方向。系統(tǒng)運行具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地熱資源還未進行規(guī)模利用，要借鑒國內(nèi)成熟的地熱資源規(guī)范化開發(fā)利用及保護技術，在具有地熱資源開發(fā)潛力的地方，結合當?shù)氐哪茉葱枨?，建設技術先進、節(jié)能環(huán)保、效益顯著的地熱資源開發(fā)利用及保護示范工程，為內(nèi)蒙古自治區(qū)進行能源結構優(yōu)化提供新的方向，為實現(xiàn)減污降碳協(xié)同效應這一目標助力。