地热利用技术.pdf

　　本文介绍的地热利用技术，指水热型地热能的利用，它是来自地球内部核聚变产生的一种能量资源，蕴藏于埋深介于200至4000米之间的地下水中，温度一般在25℃以上。地热水按照温度高低可分为高温地热资源（>150℃）、中温（>90℃且<150℃）、低温地热资源（<90℃）。我国主要以中低温地热为主，目前利用的也主要是中深层（200-4000米）蕴含的中低温地热能。

　　文中介绍了的一种结合热泵的地热梯级利用技术，不仅可增加了地热能的利用效率，运行成本也仅为燃气锅炉的四分之一，是国家“十三五”期间重点推广的新能源技术之一。

　　技术简介

　　地热梯级利用技术在近年大放异彩，它以中低温地水为热源，代替煤、石油、天然气等常规能源对建筑物进行供热。其系统包括地热热源系统、供热管网系统和室内供热终端系统。与常规能源供热相比，地热热源系统替代锅炉，其它系统组成部分与常规能源供热系统基本相同，但减少了化石能源的消耗和污染物的排放。

　　其中地热热源系统是该技术的难点、要点，包括采灌井、一次管网、换热装置，而采灌井又是地热热源系统的重中之重，投资占热源系统的三分之二，其提供的地热水的温度和水量决定供热系统的规模及稳定性，对地质条件和施工技术要求较高。

　　国内外技术发展

　　地热应用规模大、应用程度高的国家有美国、冰岛、意大利、新西兰等。以冰岛为例，从15世纪开始，冰岛人就懂得利用地热资源为生产生活服务。早在20世纪初，冰岛首都雷克雅未克市政府就开始有计划地使用地热资源为城市进行区域供暖。目前，该市已拥有10个自动化热力站，供热管道400多公里，首都地区近20万居民已全部实现了地热供暖。在冰岛全国范围内，除了26个市政管理机构拥有的为城市进行区域供热供暖的系统，还建有200个较小的乡村供热公司。环绕冰岛农村的许多有温泉的社区也修建了供热配电系统。社区学校也相应地建在热水供应源附近，为取暖和游泳等提供了便利。目前，全冰岛87%的家庭实现了地热供暖，仅此一项，全国每年即可节约燃料开支上亿美元。在长期利用地热过程中，冰岛探索出一套地热发电、地热洗浴、以及种植养殖、农产品加工等梯级高效的地热利用方法。

　　近40年来我国在北京、天津、西安、大庆、华北油田等地区，也开展了不同规模、不同用途的地热应用实践，用于城市供暖、发展温泉洗浴、温泉宾馆等特色休闲产业、以及温室大棚种植特色养殖等，同样取得了较好的效果和较多的应用经验。目前我国地热开发利用以直接利用为主，2016年中国工程院院士、国家地热中心指导委员会主任曹耀峰在北京举办的实现可持续发展目标中国峰会上表示，我国地热直接利用已连续多年位居世界首位，是位居全球第二的美国的2倍多。

　　地热资源特点

　　地热资源具有清洁环保、储量大、分布广、稳定性好、利用系数高等特点，它对未来能源供应与节能减排拥有巨大潜力，受到世界各国高度认同与重视。

　　地热是可再生清洁能源。与化石能源不同，地热资源能量巨大，利用过程中基本不排放污染物，不会带来大量的二氧化碳和温室效应，是一种高效的清洁能源。地热利用过程采用回灌措施，将利用完的地热尾水回灌至储层，可以补充地层能量，减少环境污染，有效保证地热水的再生。

　　地热资源丰富，开发潜力巨大。自20世纪70年代以来，中国有一些学者、研究机构和生产单位对国内一些重点地区和地热田开展了地热资源评价工作，评价成果对地热资源勘查开发和利用起到积极的指导作用。中国地质调查局也组织开展了全国地热资源评价工作。据全国地热资源评价成果统计，我国12个主要盆地（平原）地热资源量折合标准煤8万亿吨，预计每年可采的地热资源量折合标准煤6.4亿吨，若全部利用每年可减排二氧化碳13亿吨。

　　地热能热源稳定，能源利用系数最高，是一种现实并具有竞争力的可再生能源。地热资源一般埋位于地下200到4000米，几乎不受季节、气候、昼夜变化的影响，使得地热利用系统运行更加可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。研究资料表明使得地热资源相对稳定，能源利用系数最高，平均为73%，是太阳能的5.4倍，风能的3.6倍，而且二氧化碳减排效果显著。

　　市场潜力大。我国地热资源丰富，但目前利用较少，按照国家发改委发布的《可再生能源“十三五”规划》，到2020年地热直接供暖面积将新增2亿平方米，前景可观。

　　地热利用原理

　　地热能以其温度不同而有不同用途。根据国内外经验，以梯级综合利用最为经济，目前在供暖领域已有不少成功案例。地热供暖不仅可以节省煤炭运输、占地，还可以减少大量有害气体的排放，避免大气污染，其经济社会、环境效益十分明显。

　　目前常用的地热梯级利用的主要方式之一是与热泵结合，其原理如图所示：

　　1.从地下抽取的高温地热水经板式换热器换热，末端回水被加热可直接用于供暖，换热后的地热水温度虽有所降低，但仍高于常规地源热泵进水温度，可以作为热源再次利用；2.换热后的热源水作为地源热泵机组的热源，供暖末端回水经热泵机组提升后用于供暖，取热后的地热尾水直接回灌至抽水层。

　　在地热供暖中采用梯级利用、热泵技术和回灌技术，不会产生因尾水排放造成的环境问题，还提高了地热水的利用效率，使地热供暖面积成倍增长节能显著，而且地热水回灌到地下，使地热水的再生利用成为可能。

　　发展趋势

　　我国地热资源利用已取得显著成就。据统计，2015年我国中深层地热供暖面积达1.02亿平方米，实现替代标煤300万吨。我国地热资源丰富，市场需求旺盛，发展潜力巨大，由于环境和资源的问题，国家对地热能的开发利用非常重视，出台了相关鼓励政策，提出了近中期发展目标。

　　2013年初国家能源局等4部委《关于促进地热能开发利用的指导意见》，文件指出积极开发利用地热能对缓解我国能源资源压力、实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。而在国家发改委首次发布《地热能开发利用“十三五”的规划》显示，到2020年地热实现替代标煤7210万吨，届时我国地热年利用量可以占到全球50%左右，地热在我国能源结构中占比将达到1.5％，相对应减排二氧化碳1.77亿吨，这对于降低我国碳排放总量和碳强度意义重大。

　　项目示例——北京北苑家园六区地热、热泵综合利用项目

　　目前地热利用技术在我国已取得了一定成绩，现以公司的北京北苑家园六区地热、热泵综合利用项目为例，初步探讨地热利用技术的应用情况、环境效益及节能效果。

　　北京北苑家园六区建筑面积41.7万平方米，位于北京市朝阳区亚运村北约3公里处，西与奥运公园紧邻，南距五环路1公里，由于该地区地热资源比较丰富，地热水温度可达60-70℃，适用于低温地板辐射采暖系统及生活热水供水。为了合理利用地热资源，改善北京的大气环境，减少温室气体的排放量，决定采用以地热利用为主的集中供热方式，实现资源的合理利用。

　　项目亮点：北苑家园地热-热泵综合利用工程是北京地区第一个、也是当时全国最大的地热-热泵综合利用项目。以地热水为资源，结合水源热泵为建筑提供热源，实现了地热水的梯级利用，降低了地热弃水的回灌温度，提高了地热水的利用效率。采用地热水加压回灌技术，保护地热资源。燃气锅炉调峰，最大限度发挥地热的能力。这个项目钻探三眼地热井，其中苑热-2地热井为北京第一眼也是目前北京唯一的一眼定向地热井。

　　项目于2001年开始实施，2003年冬季投入运行，项目总投资5127万元；供暖直接能源单位面积运行费用仅为5.9元/平方米每年。

　　系统配置：项目设计热负荷为25MW，由三部分热源提供：1、高温地热水通过板换直接换热，得热量为4MW；2、45℃以下的低温地热水通过三级热泵梯级回收热量供出50℃热水，配置3台离心式热泵机组，总供热能力6MW；3、不足部分由热力厂调峰热源提供补充。

　　项目效果:北苑家园六区地热供暖项目的实施，年替代燃煤5300吨，替代天燃气335万立方米，减少二氧化碳排放4390吨，环境效益显著。该地热井项目施工组织设计，获得2002-2004年度北京市地质矿产开发局评选的“优秀勘查施工设计活动”地热井工程项目中唯一的优秀勘查施工设计二等奖。

　　公司链接

　　北京华清集团是国内最早从事地热、热泵新能源项目推广的专业化企业集团，拥有甲级地质勘察资质、一级机电设备安装资质。20年来，北京华清集团站在行业的前沿，以“诚信务实、专业创新、共赢互利、和谐发展”的经营理念，围绕项目全产业链发展需要，逐步形成了勘查、测试、设计、施工、运维、产品制造一条龙服务能力，经营领域涉及能源投资与EMC、热泵工程、高效蓄热、地热勘查与施工、地质与岩土工程、温泉休闲度假产业、产品生产及销售等相关行业，拥有华清荣昊、华清荣益等十余家子公司和新天华业、爱尔博克等多家参股公司，员工800余人，服务建筑面积超过2000万平方米。