尉氏县北某地热供暖项目用水节水性研究

赵亚萍，王利霞

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450000）

地热是一种无污染、可再生的清洁能源，与传统能源相比，具有储量巨大、可再生、低碳、环保、可就地取用等优势，可以优化能源结构，加强对地热资源的利用有利于推进国家生态文明建设[1-2]。将地热能源直接用于供暖是仅次于地热发电的地热利用方式，这种利用方式较简单、经济实用。

尉氏县位于豫东平原，属于河南省开封市[3]。地势总趋势是西北高、东南低，由西北向东南倾斜。尉氏县位于通许凸起地热分区内，境内地热资源丰富，主要集中在尉氏县县城，但开发利用程度低，2018年以前以“单井独户”为主，未形成规模开发。目前，35眼地热井大多用于洗浴和供暖，开发利用方式比较单一。为了提高地热资源的可用性，避免尾水排放造成的热污染和资源浪费、高矿化度地热水对用户末端供暖管道的腐蚀，建设项目采用“地热+热泵”的综合能源系统，遵循“取热不取水、以灌定采”的原则。本研究主要从建设项目在利用地热资源过程中的节水工艺与技术、用水过程与水量平衡、用水水平与节水潜力等方面，评价其用水节水性，并探讨对水资源的影响，以期为更加生态、环保地利用地热资源提供依据。

1 项目概况

建设项目位于尉氏县城，西邻建设路，北邻北二环，东距尉州大道700 m。项目开采的是新近系馆陶组热储层中的地热水，取水层位在800～1 200 m。项目开发3个小区所在区域的深层地热资源，采用“地热+热泵”的综合能源系统为需要供暖的建筑提供冬季供暖。本项目3个小区总建筑面积为25.20万m2，使用面积为21.00万m2，供暖面积为19.95万m2，选择已建建筑，设计热负荷指标为30 W/m2，由此计算出3个住宅小区建筑的采暖热负荷，本项目设计采暖总热负荷为5.985 MW。

本项目设计6眼地热井，深1 200 m。新近系馆陶组热储层地热井采、灌比例为1∶2，即1眼开采井与2眼回灌井，以达到地热流体全部回灌进热储的目标。项目设计年均取水量为31.3万m³/a，日均取水量为2 602 m³/d，取水时间为120天，每天运行24 h。本建设项目所有居民建筑现有采暖末端均为散热器，热量采用热泵进行梯级利用。根据业主提供的资料，本建设项目地热井出水温度约为48 ℃，经过二级换热后水温在40 ℃左右，三级换热后水温在8 ℃左右。以此温度为回水温度，通过回灌加压泵回灌到同层地下热储层中。

2 节水评价

2.1 工艺技术

本次建设项目采用深层地热水作为热泵低位热源，集中供热的建筑末端形式主要为地板辐射采暖。在御景湾、鼎盛国际小区各设置1个分散能源站、1个热泵主机，采用地热梯级循环利用、尾水集中回灌的良性模式，即地热水直接利用提供部分热负荷和地热水结合水源热泵联合运行提供剩余热负荷的方式。首先，对温度较高的地热水进行直接换热利用；其次，将温度较低的热水通过热泵继续取热，热泵机组产生45 ℃/35 ℃热水，满足建筑末端地板供暖需求。

板换二次侧：二级板换二次侧30 ℃低温热水经热泵蒸发器吸热后降至20 ℃；三级板换二次侧28 ℃低温热水经热泵蒸发器吸热后降至18 ℃；四级板换二次侧18 ℃低温热水经热泵蒸发器吸热后降至8 ℃。热泵冷凝器侧均产生45 ℃热水，与一级板换二次侧热水混合供给建筑末端辐射地板，辐射地板35 ℃回水分别流入热泵冷凝器。为了最大限度地利用地热，本方案采用三级热泵，地热水温度由48 ℃降到8 ℃。二级换热器二次侧作为热泵蒸发器循环水，提取低温地热流体的热量，利用热泵提高热能品位，加热热泵冷凝器循环水，并与一级换热器换热后的循环水汇总，为住户供热。

本建设项目设计6眼地热井（2采4回），出水温度为48 ℃，单井出水流量为54.2 m³/h。地热水由地热井潜水泵抽出计量后，经过滤器过滤除砂后进入直供板换热，然后进入中间水板换热，地热尾水直接用泵加压输送回灌至同层。

地热水从生产井输送至地热站，经过换热器提取热量，并将热量传递至采暖水系统。地热水温度降低后，输送至回灌井注入地下热储层，实现地热水采补平衡。地热水与用户末端系统进行间接换热，避免了高矿化度地热水对用户末端供暖管道的腐蚀，最大限度地利用了地热尾水的热量。地热水通过板式换热器将热量传递给供热管道循环水，对地热进行循环利用。地热水和采暖循环水为两套独立的系统，两套系统中的水不掺混。

本项目损失水量源于用户终端地热管道放水，节水措施主要是加强管理人员业务培训，强调要经常巡查供水管道，及时发现回水管道跑、冒、滴、漏现象，按照取水规程经常取水冲洗回水井以免淤积；安排专人每月抄表、按时上报水量，建立管水用水档案；定期维护、及时检修损坏设备，对小区住户加强节水法规、节水知识宣传等。

2.2 用水过程和水量平衡分析

尉氏县御景城、鼎盛国际、法兰西小镇小区地热供暖工程项目用水为小区地热换热器取用地热水。地热供暖工艺设计情况：开采出水温度为48 ℃、出水量为108.4 m³/h的地热井水，用耐热潜水电泵提取，经旋流除砂器除砂后进入一级换热器一次侧，地热尾水温度降至40 ℃，再经过二级换热器一次侧，地热尾水温度降至8 ℃，经粗效、精密两级过滤和排气罐排气，最终输送至6眼回灌井中。二级换热器二次侧作为热泵蒸发器循环水，提取低温地热流体的热量，利用热泵提高热能品位，加热热泵冷凝器循环水，并与一级换热器换热后的循环水汇总，为住户供热。小区设计的供暖面积为19.95万m2、平均热负荷指标为30 W/(h·m2)。若尉氏县御景城、鼎盛国际、法兰西小镇小区全部采用地热供暖，年需水量为31.3万m³（日需水量为2 602 m³，合108.4 m³/h，供暖时间按120天考虑）。

2.3 用水效率

本项目采暖指标为30 W/(h·m2)，低于GB/T 51074—2015《城市供热规划规范》中提出的多高层住宅采取节能措施采暖热指标35～45 W/(h·m2)，低于郑州与西安地区指标标准。

本项目中地热水由地热井潜水泵抽出计量后，过旋流除砂器进行过滤除砂，然后经由输水管线输送到地热集中供热站房。地热水进入供热站房后，用热泵梯级利用热量，降到8 ℃的地热尾水由输水管线经过精密回灌过滤装置，利用回灌加压泵回灌到地下层中，实现地热水零排放。在整个过程中，地热水只用于热量的载体输送，不消耗、不排放地热水，等量回灌到同层地下热储层中。因此，本建设项目不产生废水。

2.4 节水潜力分析

尽量增加地热水直接换热量；利用热泵梯级利用技术充分利用地热资源；实行按需供热，根据地方气象部门的大气温度预报资料进行供热量预调节，采用变频水泵控制开采地热水量；做好水源热泵机组和水处理设备的保养维护工作，既要满足供暖需求，又要有效实现地下水的循环利用，同时做好设备维修工作，防止出现跑、冒、露、滴现象；取用水人员应按水行政主管部门批准的水量取水，在取水口安装合格的计量设施，准确记录取水量；做好回灌井的管理工作，保证回灌在密闭条件下进行，防止水量损失和水质污染[4]。

3 取水影响分析

3.1 对水资源的影响

3.1.1 对地热水水资源的影响

尉氏县御景城、鼎盛国际、法兰西小镇小区地热供暖项目拟开采新近系800～1 200 m深的馆陶组热储层，埋藏深、渗透性、连通性差，不能接受地表大气降水的直接补给，只有微弱的侧向径流补给，属于半封闭的深层承压水系统。在未回灌的情况下，地热水的开采以地下含水层压力的消耗为代价，即开采过程中热储压力下降，地热井水位埋深逐年提升。本项目设计取水与回灌全封闭同时进行，坚持采灌同层，用水过程中严格遵循取热不取水、依灌定采原则。本项目开采深层地热水，提取热水中的热能后全部回灌到同层，因此对深层地热水资源的影响较小。

地热资源的补给较为缓慢，热储层储存的热量有限，地热供暖项目长期开采热储层的热量必然会减少地热流体和岩石储存的热量，造成地热资源量衰减、热储层出水温度降低。

3.1.2 对浅层和深层地下水的影响

根据区域地热地质条件，本项目地热井开采馆陶组热储层，地热井采用严格的施工工艺，全井身均下入套管，拟开采的热储层位之上均采取止水措施。随着时间的延长，井管外由于孔壁的自然坍塌与淤积，地热水与深层或浅层地下水的串层概率极小。因此，本项目取用深层地热水，对深层或浅层地下水影响较小。

3.2 对水功能区的影响

项目取水为深层地热水，不影响尉氏县地表水、浅层和中深层地下水资源量，取水的同时全部回灌。因此，本项目取水不会改变河道水质，不影响水功能区的水质现状。

3.3 对水生态的影响

降水量和地表径流很难通过深厚的地层对目标含水层进行垂向补给，补给比例较小。因此，本项目的取水对该区河段径流过程影响甚微。本项目地热供暖项目取水回灌全封闭进行，不外排，因此不会改变河道水质，不会导致项目区河段内鱼类和水生生物群种灭绝，对水生态环境影响甚微。

4 结语

建设项目设计地热井6眼（2抽4灌），采用深层地热水作为热泵低位热源，集中供热的建筑末端形式主要为地板辐射采暖，地热尾水直接用泵加压输送回灌至同层。整个过程实现了等量同层回灌，取热不取水，不消耗热水。项目取用深层地热水，对深层或浅层地下水影响较小，不影响水功能区的水质现状，对水生态环境影响甚微。