浅谈深层地热井供热系统综合分析

庞连池

地热供暖 温泉热水 地热能梯级利用 地热水处理

传统的采暖方式能源消耗大、社会效益低下，已经无法满足环境友好型和资源节约型社会的建设需要。可再生的地热资源在近年来得到了广泛应用，通过对国内外地热资源开发实践观察发现，地热资源的综合开发利用具有很高的社会效益、经济效益和环境效益。

据统计，在欧洲，有28个国家利用地热，大多数的国家都是利用中低温地热进行采暖、温室、洗浴以及地源热泵等。我国地热资源十分丰富，直接利用地热资源的数量一直居世界前列。目前，将地热水应用于供暖的地区主要集中在我国北方，如北京、天津、河南、西安、大庆等地。关于低温深井地热水（指可直接利用与已有的采暖末端的地热水）系统，地热水井的开凿、取水以及室外系统的设计无论在国外，还是在国内都是一个相当成熟的技术并具有丰富的工程经验^【1】。

一、换热器直接换热系统

换热器直接换热系统：潜水泵自地热井中抽取地热水送入除砂器，地热水经过除砂处理后直接进去汽水分离器，在汽水分离装置中进行地热水与混在地热水中的天然气等气体的分离，经汽水分离后部分地热水由回灌加压泵加压分别送入第一级换热系统的板式换热器的一次侧进水口，在换热器中放热降温后经一次侧出水口排出，同时系统循环水经过循环泵加压后进入换热器直接换热系统，在直接换热系统中系统循环水通过与地热水直接换热，吸热升温达到设计温度后直接供给末端用户，在末端系统中系统循环水放热降温后再次经过循环泵加压继续吸热升温，如此循环。

利用地热水的供暖形式，宜采用低温高效的末端装置，优先采用地板辐射采暖和风机盘管等低温散热设备，其中，供水温度的变化对风机盘管的制热量影响比较大，制热量随供水温度变化的比例与风机盘管的规格几乎无关。当必须采用散热器时，应适当增加片数以降低供水温度。但是由于采暖末端与水温的限制，地热水在供热后温度通常在30-40℃，具有这个温度的地热水不能再次进行采暖，只能回灌或者是排放掉对地热能资源造成了巨大浪费。

二、地热能梯级利用

除上述回灌或者排放掉的直接换热后的温水外，我国丰富的地热资源中，有许多低温地热，如温度在40℃左右的低温地热水，自从热泵出现以后，低温地热水在采暖中的应用越来越多。通常的做法是在机组进口加混水降低地热水进入热泵机组的温度，以便达到机组进口温度的要求。

地热井供热原理图

地下水源热泵的基本工作原理：地下水源热泵系统的低位热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。热泵机组冬季从生产井提供的地下水中吸热，提高品位后，对建筑物采暖，把低位热源中的热量转移到需要供热和加湿的地方，取热后的地下水通过回灌井回到地下。夏季，则生产井与回灌井交换，而将室内余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的，另外还可以起到养井的作用。

如果是水质良好的地下水，可以直接进去热泵进行换热，这样的系统我们称为开式环路。实际工程中更多采用闭式环路进行的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵机组的影响^【2】。

采用热泵机组，充分利用45℃以下温度段的低品位热量，合理降低尾水回灌温度；尽量减少辅助调峰加热量，因为调峰热源运行费用高，但初投资显著低于地热井投资，在尖峰时段采用少量调峰不会导致运行费用的大幅度上升，可有效降低系统初投资，调峰热源应采用热泵或燃气锅炉等。设计调峰热负荷应依据地域气象条件、地热有效利用率、技术经济等因素确定，调峰负荷宜占总负荷的20%~40%。在确保系统稳定性的前提下，尽可能采用量调节，以降低输配电耗。地热井系统经过换热直供和热泵机组提升供热，实现地热资源的梯级利用，最大限度地利用已有地热资源。

地热水多元梯级综合利用模式中包括板换串联、低温辐射采暖技术、热泵技术、新型板式换热技术和地热水回灌等新技术实现高温散热部分和低温散热部分的分别供热。根据地热水的水量、温度、供暖负荷、用水负荷和现场具体条件，因地制宜、合理地确定方案，多种采暖方式可以并存，也可以串联或并串联交叉形成梯级采暖。应用自控技术及其他技术手段最大限度地利用热能，尽可能降低尾水温度和减少尾水排放。

影响地热梯级利用供暖系统级数的因素主要有三个；地热能的用途、地热水的供水温度以及地热水的回灌温度。在确定了这三个因素后，才可以进行地热梯级利用供暖系统的设计。

通过与目前常用的集中供暖能源的比较得知，地热梯级利用供暖系统的运行费用仅比燃煤供暖稍高，如果对系统运行进行良好地管理，甚至有可能低于燃煤供暖的运行费用。当然，其运行费用也远远低于除燃煤以外的其他常用供暖能源的运行费用^【3】。

三、地下水回灌

国内的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。压力回灌适用于高水位和低渗透性的含水层，也适用于低水位和渗透性好的地下含水层；而真空回灌则仅适用于低水位和渗透性好的地下含水层。现在国内的大多数系统都采用的是真空回灌的地下水回灌方式。另外，国内通常采用回扬和清洗的方式来维持地下水的回灌。回扬次数和回扬时间视含水层的透水性大小而定，其次要考虑井的特征、水质、回灌量和回灌技术方法。这些都是非常专业化的工作，大大增加了用户的维护工作量。而且这种操作对井的损害也很大，会造成系统寿命的降低^【4】。

四、结论

利用深层地热供暖一定要做详细的水文地质调查，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水温度、水质和出水量等数据，合理地配置整个系统。地热梯级利用供暖系统的设计影响因素非常多，工程模式仅仅提供了地热梯级利用供暖系统设计的基本原理，系统还应根据各种条件进行综合的分析，详细的设计，才能设计出合理的地热梯级利用供暖系统。地热梯级利用供暖系统的初投资与一般空调系统的初投资基本持平，但运行费用很低，仅略高于燃煤供暖的运行费用。同时，可以通过采用调峰措施对系统进行改进，提高地热梯级利用供暖系统的技术性能，降低初投资。这使得地热梯级利用供暖系统在经济上是完全可行的。

参考文献

（1）杨明杰等，大庆地区地热资源勘探与开发利用的探讨，国土资源科技管理，2，2000

（2）习乃仁，方肇洪。地源热泵—建筑节能新技术，建筑热能通风空调，2004，23（3）：18-23

（3）尹富庚等，地热梯级利用供暖系统供暖设备性能，北京工业大学，80，2003

（4）邬小波。地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状，暖通空调，2004，34（1）：19-22