兰州某学校无干扰地岩热供热系统的工程应用分析

陈君萍

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030）

能源与环境问题成为当今各国面临的重大社会问题之一。能源生产和消费革命的根本出路在于开拓清洁、高效的可再生能源。地热能源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地热能是在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。

地热能储集量大且具有可再生性。据联合国有关的新能源报告显示：全球地热能资源总量，相当于全球资源总消耗量的45万倍。人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。地热资源按储热体属性，可将地热资源分为水热资源（储存在水中，以热水的形式存在）和地岩热资源（储存在4000～10000m岩石中，以热能的形式存在）。相对于太阳能和风能的不稳定性，地热能不受季节和昼夜变化的影响，具有稳定、安全、运行成本低等优点。合理开发利用地热能，对调整能源结构、治理雾霾、应对气候变化等方面具有重要意义[1]。

1 无干扰地岩热利用技术

早在20世纪70年代初，美国 Los Alamos国家实验室原子物理学家们就形成了干热岩地热能的想法，提出利用地下5000m以下广泛分布的无水热能进行发电[2]。至今美国、澳大利亚、英国、德国、法国、日本、瑞士、瑞典等国家开展了干热岩发电试验和商业运作[3]。我国有关干热岩的工作起步较晚，近年来的进展主要集中在钻井、压裂、微地震监测、数值模拟、资源量评价、碳储存技术等方面[4]。无干扰地岩热利用技术是中国工程院院士徐德龙领衔的技术团队研发的重大科技成果，创造性地提出了中低温地热能利用“取热不取水”的新技术。目前，无干扰地岩热利用技术已在我省兰州新区陆港物流园、兰州西固区达川棚户区改造工程及武山县等地示范应用，效果良好。

无干热岩供暖技术是通过钻机向地下2000～4000m深度高温岩层钻孔，在孔中安装一种密闭的金属换热器，通过换热器传导将地下深处的热能导出，并通过专用设备系统向地面建筑物供热的新技术。“取热不取水”，实现无干扰洁净供热，完成对低品位地岩热能的开发利用。该技术无污染，不受地面气候等条件的影响，能够有效保护地下水资源，实现地热能的清洁、高效、持续利用。本工艺技术示意见图1。

无干热岩供暖技术具有如下特点：

（1）系统寿命长：地下换热器采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑寿命相当（不小于60年）。

（2）安全可靠：孔径小（200mm），深度在2000m以下，对建筑地基无任何影响；地下无运动部件；全系统温度低于100℃，无化学反应，系统稳定、无安全隐患、可靠性高。

（3）操作简便：系统自动化程度高，实现无人值守，维修简单，可根据需要开停机。

（4）普遍适用性：每个建筑物下都有地热能，热源稳定，开发地热能普遍适用，钻孔位置的选定比较灵活，一般不受场地条件制约。

（5）投资与运行经济性好：向地下中、深层取热，单孔取热量大，供热面积广，钻孔数量少，开发成本经济、运行成本低廉。

（6）高效节能：专用的吸热导热装置与新材料的使用提高了地下换热导热效率；一个换热孔可以提供500～700kW的热负荷需求，无长距离输送和损失能耗。

（7）绿色环保：无废气、废液、废渣等任何排放，能量来自地热，治污降霾成效显著。

图1 无干扰地岩热供热示意图

（8）保护水资源：系统与地下水隔离，仅通过换热器管壁与高温岩层换热，不抽取地下热水，也不使用地下水。

2 项目概况

2.1 建筑概况

本项目位于兰州市榆中县三角城岳家庄。项目总建筑面积为13847.7m2（不含规划预留博物馆等建筑约8000m2），其中综合楼4872.3m2，宿舍楼4297.6m2，训练馆4647.4m2，传达室30.4m2。总热负荷设计为1400kW，其中现有建筑热负荷为1089.2kW，供暖期共150天。

2.2 设计条件

本项目附近无城市集中供热管网或区域锅炉房，最初设计供暖热源为校区新建燃气锅炉房直接供给，锅炉房内设计2台1t的燃气锅炉，但经建设方核实，校区附近较长一段时间无城镇燃气管网接入。此外，在技术经济合理的情况下，冷、热源宜利用浅层地热能、太阳能、风能等可再生能源。但采用太阳能供热，夜间储热等问题不好解决；采用水源热泵，经勘测，地质条件不满足，且回灌等需要场地较大，而项目场地比较紧张；采用空气源热泵，榆中县冬季供暖室外计算温度为：-9℃，室外温度偏低，供热越差、效率低，需要增设电附热，后期运行费用高。

榆中县地处兰州市东部，热储盖层为巨厚的第三系中上部泥岩、砂质泥岩，层位较稳定，地下泥土层较厚，地下以泥岩、砾岩、砂岩为主，进专业公司勘测，该区域内的平均地温梯度在25℃/km左右，地热资源较为丰富，具备使用无干扰地岩热供热的基础条件。预计深度2500m左右可获得65℃以上的地热资源，为用户端供回水温度初步设置为45/40℃。

3 地岩热系统配置

依据项目的建筑概况和设计条件，地岩热系统配置如下。

3.1 地岩热井配置

项目配置2口地岩热换热孔数量；2套地岩热换热器；地岩热换热孔有效深度暂定为2500m左右；地岩热换热孔的孔径为200mm左右。根据热负荷配置地岩热主机1台，供热总热负荷为1400kW。换热机房利用原有锅楼房。

3.2 系统运行

本系统运行控制系统分为全自动控制和现场手动控制两种方式。在地岩热供暖系统冬季工况下，主机通过深层换热孔从地下岩层中获取地热，经机组提升后，制备45/40℃的供暖水输送至建筑物末端，实现冬季供暖。地岩热流程示意图如图2所示。

图2 地岩热运行系统图

3.3 末端形式

本项目原设计供暖末端采用钢柱暖气片，而无干扰地岩热系统供暖热水供、回水温度分别为45/40℃，钢柱暖气片散热速度过慢，无法适应，适合更换为立式明装风机盘管或低温散热器，以获得较好的供暖效果。同时，需将室内供暖系统由原设计采用单管上供下回式供暖形式改为双管下供下回式供暖形式。

经核算，共需要立式明装风机盘管570台，总用电功率最大为22.184kW。低温散热器共需要散热器581台，总用电功率最大为6.24kW。原设计采用钢柱暖气片供暖末端造价估算为150.37万元；若改造为立式明装风机盘管或低温散热器，供暖末端造价估算分别为154.55万元和196.59万元，分别比原设计方案增加了4.18万元和46.22万元。此外，立式明装风机盘管内的风机采用单风机变频控制，技术非常成熟，国内生产厂家众多，价格较低；而低温散热器采用的是多风机逐级控制，与立式明装风机盘管的差别不大，但目前国内生产厂家很少，且都为国外技术，价格较高，性价比较低。

综上所述，立式明装风机盘管或低温散热器都可适用于低温热源供暖，但立式明装风机盘管性价比高，优势明显，本项目供暖末端散热器采用立式明装风机盘管。

4 总投资构成

估算编制范围包括从工程筹建至运行验收的全部建设项目总投资。具体内容包括：设备费用、工程费用、工程建设其它费用、基本预备费。根据有关专业提供的主要设备材料表，参照近期类似工程决算资料及相关设备价格进行计算，计算时设备运杂费已包含在设备价中；同时辅材采用建设项目工程所在地近期的市场价。

经初步计算，总投资构成和主要技术经济指标分别如表1、2所示。

表1 总投资构成表 万元

5 项目效益评价

根据系统全年常规能源代替量的计算结果，该系统在一个供暖季（5个月）内为常规能源替代量约为619.09t标准煤。减少CO2排放约1622.01t，减少SO2排放约5.26t，减少氮氧排放物约4.58t，减少粉尘排放约5.94t。符合国家的“治霾”方针，保护了地区的生态环境。

表2 主要技术经济指标

6 结语

本文以工程实例探讨了干扰地岩热供热系统在兰州地区的应用，得到的主要结论：

（1）开发无干扰地岩热供热系统符合国家“十三五”发展规划中提出的“绿色”发展理念，缓解了能源对国家发展的制约，同时对国家能源结构的调整具有重大的现实意义。

（2）项目的建成不仅节约了资源，而且有效的避免了传统能源对环境的污染，符合社会可持续发展的需要。