某科技园项目中深层地热替代天然气锅炉供热技术

1 项目概况

某公司投资建设的科技园项目总占地面积约7.2 hm2(108亩），规划16栋楼，建筑面积约1.5×105m2，供热面积约1.14×105m2，总热负荷7 000 k W。原规划采用天然气锅炉供热，但冬季供热时，天然气价格最高可达4.9元/m3，年运行成本高。项目所在区域位于太原盆地西温庄隆起，地热资源丰富。因此，计划采用中深层地热替代原规划的天然气锅炉供热，以大幅降低供热费用。

2 中深层地热能禀赋条件

2.1 构造概况

太原盆地自北向南排列为城北凹陷、三给地垒、城区凹陷、亲贤地垒、晋源凹陷和西温庄隆起6个构造单元。本项目拟建井位于太原盆地西温庄隆起。

2.2 地层概况

本项目所在区域地层从上至下主要由第四系、新近系、古近系、三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系下中统和寒武系上中统等地层组成。

2.3 地热资源形成条件分析

已有的区域实钻资料表明，项目所在区具备良好的地热地质条件，热储层岩性为奥陶系、寒武系碳酸盐岩，主要表现如下。

1）盖层。盖层由第四系、新近系泥岩层和二叠、石炭系岩层组成，总厚度600～1 700 m不等，其中，第四系、新近系、三叠系泥岩层厚600～2 000 m不等；二叠和石炭系岩层厚300 m左右。奥陶系中统峰峰组顶板埋深600～1 800 m，其上盖层厚度较大，分布比较稳定，隔水、隔热性能良好，具备良好的盖层条件。

2）热储层。热储层主要为古生界碳酸盐岩地层，即奥陶、寒武系灰岩，尤以中奥陶统、中寒武统发育最好，总厚300～800 m。

3）热源。太原盆地的热源主要为裂谷盆地背景下的高大地热流，传热方式以热传导为主。据山西大地热流值分布资料，中部各盆地大地热流值1.7 HFU（热流值单位），而山区普遍小于1.3 HFU。区域热流值高，一般表征地壳薄，居里等温面埋藏较浅（小于20 km），深部热流值高。

4）通道。西温庄地热田西侧、北侧断裂形成的破碎带，均具有导水作用。断裂纵横交错，彼此连通，将地下热水经深循环对流作用，沿构造通道将深部热能携带到中浅层。太原盆地的地下水都来自盆地本身及山区的大气降水，经断裂带及层中的岩溶缝隙相互沟通。

2.4 流体物理化学特征

地热水化学类型为SO42--Ca2+型水，矿化度为1.0～2.1 g/L，总硬度为0.7～1.4 g/L,p H值为7.0～8.3，呈弱碱性。

2.5 水温、水量预测

通过收集查阅本区域相关地质资料和了解附近地热项目情况，收集调研的资料显示，该区域附近地热井的水量在100 m3/h以上，井口水温在60℃以上，最高达到74℃。

3 项目热负荷

3.1 热负荷分析

本项目总供热面积约1.14×105m2，总需求热负荷为7 000 k W。根据太原市气候条件和项目建筑特性，项目每年供热期为11月1日至次年3月31日，供热时段0:00—24:00，室内温度要求18℃以上。

3.2 平均热负荷

根据CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》，计算该项目采暖期采暖平均热负荷。采暖期平均热负荷计算式为：

式中：Qh,a为采暖期采暖平均热负荷的数值，单位k W;Qh为采暖设计热负荷的数值，单位k W;ti为室内计算温度的数值，单位℃；ta′为采暖期除去最冷5 d后平均室外温度的数值，单位℃；to,h为采暖室外计算温度的数值，单位℃；N为采暖时间的数值，单位d。

本项目设计热负荷为7 000 k W，室内温度设计为18℃，供热时间为150 d，平均室外温度按照除去最冷5 d后的平均室外温度为-3.38℃，则该项目采暖期采暖平均热负荷为4 859.09 k W。

3.3 全年耗热量

年耗热量由式（2）计算：

式中：Qha为全年耗热量的数值，单位GJ。

项目平均热负荷为4 859.09 k W，则该项目年耗热量为62 959.68 GJ。

4 热源建设方案

4.1 热源方案

4.1.1 生产井数量的确定

根据地热资源分析，项目所在区域有丰富的地热资源，可采用地热作为热源。设计地热井深2 450 m，地热井单井出水量105 m3/h，井口温度65℃。

小区末端采用风机盘管，设计供热供回水温度为45℃/40℃。按照尾水回灌温度15℃计算，地热水直供可提供负荷Q1=105×1.163×（65-42)=2 808.65 k W，热泵COP (Coefficient Of Performance，能效比）按4.0计算，热泵可提供负荷Q2=105×1.163×（42-15）×4÷3=4 396.14 k W，因此，单井可提供负荷为Q=2 808.65+4 397.14=7 204.79 k W。根据热负荷分析，项目需要的地热井口数n=7 000÷7 204.79=0.97口，因此需生产井1口。由以上分析可知，该地热井热源富裕，可满足项目的供热需求。

4.1.2 回灌井数量的确定

初步拟定按照同层1∶1回灌，即采用“一采一灌、同层回灌、取热不耗水”的模式进行回灌，因此需新建回灌井1口。

4.2 换热站设计

4.2.1 工艺流程

该项目利用地热水作为供热热源，冬季提供45℃/40℃采暖热水。系统设置1口生产井。项目供热系统不分高低区，采用“板换直供+热泵机组调峰”的方式为项目供热，当室外温度较低时，板式换热器直供，直供无法满足热负荷需求时，开启热泵机组调峰以满足总热负荷要求。具体流程为：地热水首先经过一级板换，板换一次侧供回水温度65℃/42℃，二次侧供回水温度45℃/40℃。经过一级板换后的地热水温度降至42℃，一级板换出来的地热水经过二级板换再次提取热量，温度从42℃降到15℃；二级板换二次侧出水温度21℃，进入热泵机组经蒸发器换热后，温度降到13℃。地热水通过二级换热后，通过热泵机组的提升作用，冷凝侧产生45℃/40℃的热水供末端风机盘管系统。

4.2.2 主要设备选型

从工艺原理图看，该项目主要设备为潜水泵、热泵机组、循环水泵、板式换热器、软化系统、回灌过滤装置等。

4.2.3 地热尾水处理

由于矿化度、温度、政府政策管控等原因，需对地热尾水进行同层回灌处理，实现地热尾水的全部同层回灌。因此，在换热站内设置地热尾水回灌过滤装置，过滤管道及系统残留的直径相对较大的颗粒，防止回注地热水堵塞地热水储层。

5 供热效果分析

在该项目投入运行后，进行了换热站站内运行数据的监测和供热用户端室内温度参数入室测量，详细记录了一个供热季的参数。根据项目的运行日报表，即11月1日至次年3月31日的运行报表，供热用户端的室内温度维持在20℃以上，供热效果良好。

6 效益分析

6.1 经济效益分析

项目建设投资为1.529 8×107元，按照30年运行期测算2种方案的总费用，总费用包含项目投资费用和30年运行费用。中深层地热方案总费用6.908 98×107元，天然气锅炉方案总费用1.818 636×108元，中深层地热方案相比于天然气锅炉方案可节省费用1.127 738×108元。该项目随着运行时间的增长，经济效益愈发显著。

6.2 环保效益分析

本项目实施可以降低环境污染，减少CO2、SO2的排放，同时可减少烟雾、粉尘等污染物的排放。项目运行后，年节约标煤量约2 148.28 t，年减排CO2约5 628.49 t，年减排SO2约18.26 t，年减排NOx约15.89 t。

7 结论

1）项目区域地热资源丰富，地热开发利用符合国家、地区产业政策导向和战略要求。

2）本项目采用中深层地热供热方案，设计2口地热井，井深约2 450 m，一采一灌。采用“板间接换热+热泵机组梯级利用”的工艺流程，为项目冬季供热。

3）本项目与天然气锅炉供热方案相比，在30年运营期内，总计可节约费用1.127 738×108元，经济效益显著。

4）本项目的实施还具有良好的环保效益和社会效益。项目运行后，年节约标煤量约2 148.28 t，年减排CO2约5 628.49 t，年减排SO2约18.26 t，年减排NOx约15.89 t。