中深层供暖在城市热力改造中的应用

李娜娜

摘要：目前碳达峰、碳中和被纳入生态文明建设整体布局，上升为国家战略，在2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，倡导绿色、环保、低碳的呼声越来越高。北方传统的锅炉供暖方式亟需改善淘汰，中深层地热资源作为可再生资源的利用逐渐被重视起来。

关键词：中深层供暖；城市热力；改造；应用

引言：

中深层地热作为一种地热能，是存储在地壳内部熔岩中的热能，可通过人为手段取出，实现地热能利用，是一种清洁环保的可再生能源。我国地热能资源储量大、分布广，发展前景广阔，市场潜力巨大。积极开发利用地热能，可缓解我国能源资源压力，对调整能源利用结构，缓解日益严重的环境问题，促进绿色环保、生态文明建设有重要的现实意义和长远的战略意义。中深层地热能主要指地下200 m 以下至3000 m以上的地层中所蕴含的地热资源。近年来，由于浅层地热能开发利用受限，中深层地热能的开发利用越来越受到重视。目前人们常以微震监测、重磁勘探、电磁法勘察等技术勘察中深层地热能。

一、中深层地热能开发利用

（一）开发现状

中深层地热能的开发利用，主要是以无干扰地热供热技术和水热型地热供热技术为主，采用采灌结合、间接换热、阶梯利用及尾水净化和矿物提取等技术手段，结合水源热泵技术，实现地热能供暖。

目前中深层地热能的开发利用还存在一些问题，主要为前期投资较高，投资回收期长；由于对中深层地热勘查力度不足，地热井钻井风险大；取水型系统尾水回灌率低；缺乏有效的监测及可持续性评价；结垢、腐蚀严重。

（二）中深层地热能发展

中深层地热能对环境适应性强，系统能够长期稳定、高效运行，对优化能源市场结构起到决定性的作用，因此，国家和有关省市均出台多项政策支持中深层地热能的快速发展。根据国家地热能开发利用“十三五”规划，“十三五”期间中深层地热能新增供暖面积4亿m2 。北方地区冬季清洁取暖规划（2017~2021）指出，积极推进水热型（中深层）地热供暖，按照“取热不取水”的原则，采用“采灌均衡、间接换热”或“井下换热”技术，以集中式与分散式相结合的方式推进中深层地热供暖，实现地热资源的可持续开发。陕西省地热能清洁取暖实施方案（2017~2021）指出，到2021 年，新增中深层（含无干扰地热供暖）地热供暖面积1800万m2以上，按照“集中式与分散式相结合”的方式积极推进无干扰地热供热技术和水热型地热供热技术的综合利用。因此，未来中深层地热能的开发利用发展空间还很大，前景广阔[1]。

二、高温水源热泵技术

中深层地热水的出水温度高（25℃~90℃），考虑地热开发利用的经济性，一般采用梯级能源利用的方式，最大化提取地热资源。

以眉县清洁能源供暖项目为例，热力站为城市供热改造，利用现有的热力管网及末端供暖设备，取消原有燃煤锅炉，改造成中深层地热+水源热泵机组+调峰锅炉供暖型式。能源站规划供暖面积118.3万平米，所需供热量59150kW。地热井出水温度40℃-60℃，设计回灌水温度不大于10℃，单孔井出水量约120m³/h。

为优化能源利用，提升供暖系统的经济性及能源的高效利用，前期在进行项目可行性分析时，提出了多种可行方案。首先是对井水利用的考虑，由于地热井水为直接提取利用，但出水温度低于供暖温度要求（末端供水温度不低于65℃），所以需要通过热泵机组对井水进行二次提温，以满足供暖需求。其次，地下水水质较差，直接进热泵机组容易对热泵机组产生腐蚀、结垢等，增加了运营维护费用，所以在供暖系统上需增加一次板式换热系统。再有，对于热泵机组的选用，一方面水源侧进水温度较高，另一方面用户侧供回水温差较大（20℃），同时也需要考虑机组的整体能效，因此提出两种方案对比分析：

方案一、热泵机组单级提热，采用大温差机组

考虑系统的基础水温要求，采用单级提温方式，即用户侧的回水45℃，通过热泵机组提温后，直接达到65℃的供暖水温要求，热泵机组单级实现20℃温差要求；水源侧取热，井水温度40℃进入热泵蒸发器，直接降低到9℃出蒸发器，提取30℃温差的热量。流程示意如下图1：

图1：热泵机组单级大温差系统示意图

这种方案，设备能效较低，单机组COP值在3.2~4.0之间。系统控制较简单，对运维人员的技术标准要求低。缺点是系统配电量大，电力设施费用增加，后期运行费用高，经济性差。

方案二、热泵机组两级提热，采用高温热泵机组和低温热泵机组串联方式

供热系统采用两级串联取热方式，即用户侧45℃的供暖回水，先通过低温热泵机组提温后，再进入高温热泵机组进行二次提温，达到65℃的供暖水温要求，由两级提温实现供回水温差20℃；同时水源侧40℃的井水进入高温机组蒸发器，提取热量后再进入低温机组蒸发器提取热量，最终出水温度不大于9℃，回灌到地热井。流程示意如下图2：

图2：热泵机组两级串联系统示意图

这种系统方式，设备能效较高，两级热泵设备整体 COP值在4.8~5.5之间。整体能效相比单级提温能效提高37.5%~50%，节能性大大提高。两种系统方案下，水泵的流量相同，两级串联系统的水泵扬程需要增加一个蒸发器或冷凝器的阻力，但整体能效依然很具有优势。

另外，两级热泵串联系统方式，需要热泵机组厂家开放供水温度调节协议，通过系统自控实现供水温度的适应性调节。在两级热泵流量稳定的情况下，实现供回水温差的适应性调节（两级热泵蒸发器或冷凝器的温差不一定一样，需根据设备效率、流量来确定）。此系统控制较为复杂，对运维人员的技术标准要求较高。但是，系统配电量小，可减少电力设施投资；后期运行费用低，经济性好[2]。

三、项目实际运行数据分析

热力站系统设计为三台高温热泵和三台低温热泵。热泵机组在系统中采用先并联，再串联的方式。系统供暖实际运行时，开启一台高温机组，同时对应开启一台低温机组联合运行。

三组设备全开情况下，以第一组热泵机组，分析系统实际运行状态，如图3：

图3：热泵机组测试流量数据图

现场实测数据显示，用户侧的流量介于295~328m³/h之间，与设计偏差约10%，考虑测量误差，系统运行与设计基本相符。

根据进水和出水测量流量，计算最大和最小测试热量。与对应工况下，修正后的理论制热量比较，得出图4。

测试结果显示，三组热泵的热量比例介于80%~93%。

图4：热泵机组测试流量与设计流量比值

同一台机组在运行过程中，测试的热量比例介于91%~95%之间，如图5，考虑测试偏差，系统总输出热量基本符合设计需求。

图5：同一台机组测试热量与名义热量比值

水源热泵主机运行能效分析：

设计工况下，水源侧进出水温度40℃/9℃，用户侧进出水温度：45℃/65℃，热泵主机COP需满足不小于4.86。偏差运行工况下，水源侧进出水温度35℃/7.2℃，用户侧进出水温度：45℃/65℃，热泵主机COP需满足不小于4.54。

热泵主机实际运行测算数据如表1，热泵系统运行满足设计指标。

表1：热泵主机测试运行COP值

项目	用户侧进出水温度（℃）	水源侧进出水温度（℃）	第1组热泵平均COP	第2组热泵平均COP	第3组热泵平均COP
高温级热泵	55/45	37.5/19.5	5.93	5.79	5.7
低温级热泵	45/37	19.5/6.5	5.45	5.29	5.37
高温级热泵	60/49	40/22	5.21	5.05	4.95
低温级热泵	49/40	22/9.5	4.81	4.55	4.53

从整体运行上看，两级串联热泵系统型式，满足高效运行的设计要求，但是也存在一些问题，主要体现在流量的均衡上，从数据上看，第3组热泵主机的流量分配偏少，这和热泵主机先并联，再串联的方式有关，靠近分流主管侧的流量大，较远的主机流量偏少，如对系统加以改善及调整，可以更好的实现节能运行。

结论：

1、中深层地热取代传统能源的利用，促进了供暖市场向绿色、环保、健康的可持续方向的发展。

2、中深层地热的利用，应因地制宜，根据不同的水源工况及用户需求，采用适用的系统型式，实现系统的高效节能。

3、针对大温差供热系统，两级热泵串联实现高效节能将是一个发展趋势，能够更好的利用高温水源。

4、对于复杂的能源系统，需要更好的系统设计以均衡水路流量分配，尽量避免因水阻影响而造成的能耗增加。

5、能源系统的高效集成以及智能化控制的采用，更有利于提高系统性能。

参考文献：

[1]张鹏飞,王俞舒,段科锋,等.浅析中深层地热地埋管供热技术及其工程应用[J].中国石油和化工标准与质量, 2021, 41(21):3.

[2]曲仁铎.自控技术在城市集中供热中的应用[J].中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术, 2022(1):4.