水熱型中深層地?zé)嵩跓嵩磸S的應(yīng)用分析

杜可心，杜彩肖，焦時(shí)飛

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089）

1 引言

習(xí)近平總書(shū)記在二十大工作報(bào)告中指出：“我們要推進(jìn)美麗中國(guó)建設(shè)，堅(jiān)持山水林田湖草沙一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理，統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、污染治理、生態(tài)保護(hù)、應(yīng)對(duì)氣候變化，協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長(zhǎng)，推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約、綠色低碳發(fā)展。 ”地?zé)崮苁俏覈?guó)能源供應(yīng)體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分， 目前全國(guó)多地已出臺(tái)相關(guān)措施推動(dòng)地?zé)崮芸茖W(xué)有序開(kāi)發(fā)利用。

水熱型中深層地?zé)嶙鳛榭稍偕茉?，具有供熱量高、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于供暖系統(tǒng)，主要應(yīng)用在用戶側(cè)能源站，通過(guò)熱泵機(jī)組采用梯級(jí)利用的方式，直接供應(yīng)中溫?zé)崴接脩裟┒恕?本文在用戶側(cè)能源站已充分利用地?zé)豳Y源的基礎(chǔ)上， 將水熱型中深層地?zé)釕?yīng)用在集中供熱的熱源廠， 進(jìn)一步加大可再生能源的利用、 降低化石能源的消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于華北北部，為寒冷地區(qū)。 片區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)熱源廠1 座，總供熱面積336.57 萬(wàn)m2，供熱范圍包括住宅用地、居住配套用地、基礎(chǔ)教育用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地、科研用地、商業(yè)用地等，均為規(guī)劃新建建筑。

2.1 項(xiàng)目熱負(fù)荷

項(xiàng)目熱負(fù)荷為冬季采暖熱負(fù)荷，不包含生活熱水負(fù)荷。

項(xiàng)目選用規(guī)劃指標(biāo)法進(jìn)行熱負(fù)荷的估算。 根據(jù)片區(qū)上位規(guī)劃，規(guī)劃新建建筑均滿足當(dāng)?shù)毓?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)規(guī)劃的地下空間情況以及地塊開(kāi)發(fā)單位提供的熱負(fù)荷資料， 僅在科研用地內(nèi)考慮部分地下采暖熱負(fù)荷。

項(xiàng)目的熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目熱負(fù)荷計(jì)算表

2.2 年供熱量

根據(jù)熱負(fù)荷、 采暖時(shí)間和氣象參數(shù)估算本項(xiàng)目采暖年供熱量。

年平均氣溫：12.9 ℃。

供暖期室外設(shè)計(jì)溫度：-7.0 ℃。

供暖期日平均溫度：-0.5 ℃。

日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)：119 d。

根據(jù)室外溫度下的小時(shí)熱負(fù)荷及延續(xù)小時(shí)數(shù)繪制采暖熱負(fù)荷曲線圖（見(jiàn)圖1），對(duì)年供熱量進(jìn)行估算。

圖1 熱源廠采暖熱負(fù)荷曲線圖

3 地?zé)豳Y源條件

根據(jù)地?zé)豳Y源評(píng)估報(bào)告， 地?zé)豳Y源來(lái)自薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)，打井深度約2 000 m，平均出水溫度65 ℃，平均出水流量100 m3/h。薊縣系熱儲(chǔ)具有熱儲(chǔ)空間展布、孔隙度發(fā)育較高、熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)潛力大、熱儲(chǔ)回灌能力強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。

根據(jù)GB 55010—2021《供熱工程項(xiàng)目規(guī)范》，采用地?zé)崮芄釙r(shí)，地?zé)嵛菜欧艤囟炔粦?yīng)大于20℃。為了保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)采，本項(xiàng)目回灌溫度按照20℃進(jìn)行計(jì)算。

熱源廠所在地塊為規(guī)劃建設(shè)用地，采用造斜井方式，保證開(kāi)采井和回灌井的井底間距≥500 m 時(shí)，可設(shè)置開(kāi)采井1～2孔。最終開(kāi)采井布置孔數(shù)還需結(jié)合熱源廠的裝機(jī)容量， 通過(guò)分析確定。

4 熱源廠建設(shè)方案

4.1 技術(shù)路線

熱源廠旨在輸送高溫?zé)崴劣脩魝?cè)能源站或換熱站進(jìn)行換熱。 為了最大化利用區(qū)域內(nèi)的可再生能源，用戶側(cè)能源站已根據(jù)周邊資源條件和末端用戶的負(fù)荷特性， 耦合了中深層地?zé)釤岜谩\層地?zé)釤岜?、污水源熱泵承?dān)基礎(chǔ)熱負(fù)荷，熱源廠作為調(diào)峰熱源。 區(qū)域供熱技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖2 區(qū)域供熱技術(shù)路線圖

4.2 設(shè)計(jì)方案

由于熱源廠率先建設(shè)，以保證下游部分地塊的用能需求，同時(shí)為了保證供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性， 熱源廠主機(jī)設(shè)備選型不扣除用戶側(cè)能源站的可再生能源裝機(jī)熱負(fù)荷， 按照區(qū)域100%熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，建設(shè)單位可根據(jù)下游用戶的開(kāi)發(fā)情況和用戶側(cè)能源站的建設(shè)情況，考慮熱源廠主機(jī)設(shè)備的分期建設(shè)。

熱源廠供熱系統(tǒng)見(jiàn)圖3。 熱源形式包括燃?xì)鉄崴仩t、吸收式熱泵（補(bǔ)燃型）、水熱型中深層地?zé)帷?水熱型中深層地?zé)嵬ㄟ^(guò)梯級(jí)利用，加熱一次管網(wǎng)回水，提高回水溫度，達(dá)到節(jié)省燃?xì)獾哪康摹?/p>

圖3 熱源廠供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

考慮到中深層地?zé)釤岜脵C(jī)組的效率， 適宜的出水溫度在45～55 ℃，故中深層地?zé)釤岜脵C(jī)組的溫度（即市政熱網(wǎng)回水溫度）不宜超過(guò)50 ℃；根據(jù)CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)熱源廠為熱電廠或區(qū)域鍋爐房時(shí)，設(shè)計(jì)供水溫度宜取110～150 ℃，回水溫度不應(yīng)高于60 ℃。 綜上確定本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)供回水溫度為110 ℃/50 ℃。

4.3 燃?xì)忮仩t和吸收式熱泵裝機(jī)

燃?xì)鉄崴仩t共設(shè)計(jì)3 臺(tái)，分別為2 臺(tái)46 MW 鍋爐和1臺(tái)29 MW 鍋爐。

吸收式熱泵主要用來(lái)回收鍋爐煙氣余熱，余熱回收越多，熱泵投資越大。 根據(jù)熱負(fù)荷延續(xù)曲線，鍋爐并非一直滿負(fù)荷運(yùn)行，故吸收式熱泵無(wú)須按照鍋爐滿負(fù)荷最大余熱回收量選取。一般情況下，鍋爐煙氣余熱量占鍋爐容量的6%～11%[2]，本項(xiàng)目參考以往已實(shí)施項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)， 吸收式熱泵按照鍋爐滿負(fù)荷的6%計(jì)算煙氣余熱量，吸收式熱泵COP 取1.6。本項(xiàng)目吸收式熱泵共設(shè)計(jì)2 臺(tái)，單臺(tái)供熱量（含補(bǔ)燃供熱量）為9.4 MW。

綜上，熱源廠設(shè)計(jì)供熱能力為139.8 MW。

4.4 中深層地?zé)岬奶菁?jí)利用

根據(jù)熱源廠的選址條件，本項(xiàng)目采用造斜井方式，保證開(kāi)采井和回灌井的井底間距≥500 m， 最大可設(shè)置開(kāi)采井1～2孔，暫按設(shè)置1 口開(kāi)采井進(jìn)行供熱量的計(jì)算。

4.4.1 一級(jí)板換

一級(jí)板換采用地?zé)崴惫Q熱，一次側(cè)進(jìn)出水溫度65 ℃/55 ℃，二次側(cè)進(jìn)出水溫度55 ℃/50 ℃。 根據(jù)換熱量計(jì)算公式[3]，一級(jí)板換供熱量Q1為1 163 kW。

4.4.2 中間板換+中深層地?zé)釤岜?/p>

中間板換一次側(cè)進(jìn)出水溫度55 ℃/20 ℃， 二次側(cè)進(jìn)出水溫度35 ℃/27 ℃。 二次側(cè)的中介水作為中深層地?zé)釤岜脵C(jī)組的熱源，熱泵機(jī)組供回水溫度為55 ℃/50 ℃。 中深層地?zé)釤岜脵C(jī)組制熱COP 取5.0，根據(jù)換熱量計(jì)算公式，中深層地?zé)釤岜脵C(jī)組供熱量Q2為5 088 kW。

4.4.3 中深層地?zé)峋當(dāng)?shù)量的設(shè)計(jì)

燃?xì)鉄崴仩t和吸收式熱泵總裝機(jī)為139.8 MW，按照設(shè)計(jì)供回水溫度110 ℃/50 ℃，計(jì)算得總循環(huán)流量為2 004 t/h。

熱源廠內(nèi)設(shè)置1 口開(kāi)采井時(shí)， 中深層地?zé)嵯到y(tǒng)的總供熱量（Q1+Q2）為6 251 kW，用于加熱市政管網(wǎng)的回水，熱泵設(shè)計(jì)供回水溫度55 ℃/50 ℃，計(jì)算得循環(huán)流量為1 075 t/h。 此時(shí)若設(shè)置2 口開(kāi)采井，則設(shè)計(jì)循環(huán)流量為2 150 t/h，則大于一次供熱管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量。

目前部分品牌的熱泵機(jī)組， 冷凝器側(cè)的溫差可以做到8～10 ℃溫差， 此時(shí)設(shè)計(jì)循環(huán)流量減少， 可選擇設(shè)置2 口開(kāi)采井，但還需結(jié)合蒸發(fā)器側(cè)的溫度、壓縮機(jī)的形式、COP 等因素綜合確定。 由于冷凝器側(cè)溫差加大，中深層地?zé)釤岜贸鏊疁囟仍龈?～5 ℃，主機(jī)COP 降低，還需進(jìn)一步核實(shí)吸收式熱泵機(jī)組的參數(shù)，煙氣熱泵進(jìn)/ 出口水溫均增大，同樣會(huì)降低煙氣熱泵設(shè)備的能效。

本項(xiàng)目考慮到中深層地?zé)岽蚓杀尽?片區(qū)內(nèi)整體熱儲(chǔ)開(kāi)采量以及上述因素，選擇設(shè)置1 口開(kāi)采井和1 口回灌井，保證100%回灌的情況下，可充分利用地?zé)崮苓M(jìn)行供能，即初末寒期和嚴(yán)寒期均按照設(shè)計(jì)取水量運(yùn)行。

5 節(jié)能情況分析

項(xiàng)目100%達(dá)產(chǎn)后，熱源廠年供熱量約65.30 萬(wàn)GJ。 中深層地?zé)嵯到y(tǒng)整個(gè)采暖季均處于滿負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，能夠充分利用地?zé)豳Y源，年供熱量約6.42 萬(wàn)GJ，占比9.8%。 按照燃?xì)鉄崴仩t和吸收式熱泵整體熱效率96%、 燃?xì)鉄嶂?5.16 MJ/m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）計(jì)算，年節(jié)約燃?xì)庀牧?90.2 萬(wàn)m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下），折合標(biāo)煤230.96 萬(wàn)t（標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量）。

6 結(jié)論

本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例， 對(duì)水熱型中深層地?zé)嵩跓嵩磸S的應(yīng)用進(jìn)行了技術(shù)路線分析、設(shè)計(jì)方案分析、裝機(jī)選型以及中深層地?zé)岬奶菁?jí)利用分析，主要結(jié)論如下。

1）水熱型中深層地?zé)釕?yīng)用在熱源廠，用于加熱市政管網(wǎng)的回水技術(shù)可行，但對(duì)熱源廠的規(guī)模有一定的要求。 熱源廠規(guī)模過(guò)小， 則存在流量不匹配的情況， 不能夠充分利用地?zé)豳Y源，造成投資成本增加，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用減少不多的局面。

2）水熱型中深層以“用熱不用水”為原則，地?zé)嵛菜?00%回灌，合理設(shè)計(jì)回灌溫度，保障地?zé)豳Y源的可持續(xù)性利用。

3）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用于既有燃?xì)忮仩t房的節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本的目的。