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地巖熱供熱技術的應用分析與探討

作者:myjianzhu發布日期:2024-04-10 語言朗誦 評論收藏 0


濟南市熱力設計研究院      亢磊   武東琴

摘   要:針對地巖熱這種清潔可再生能源的有效應用,結合相關工程實例及運行數據,探討地巖熱供熱技術的發展前景、應用分析、技術優勢及風險應對。

關鍵詞:地巖熱;地巖熱供熱;節能;環保;風險應對

       1   地巖熱供熱技術介紹

       1.1   地巖熱

       地巖熱供熱又稱為干熱巖供熱,干熱巖是一種普遍埋藏于距地表2km至6km深處、溫度為150℃至650℃的、沒有水或蒸汽的熱巖體,平均地溫梯度為30℃/km,其熱能賦存于各種變質巖或結晶類巖體中,這部分熱量來自地球內部熱核反應,地核溫度約6000℃,地幔對流循環將地心向地表不斷往返的傳輸熱量,聯合國有關新能源報告顯示:全球5公里以內地熱資源量約4900萬億噸標煤。我國的地熱資源儲量約占全球總儲量的六分之一,僅我國陸區3~10km地巖熱儲量相當于全國資源總消耗量的5200倍,儲量巨大,因此地巖熱熱源不會枯竭,也無熱衰減,是一種全新的清潔能源,對于減少對傳統化石能源的依賴,具有巨大的經濟社會效益。

       1.2   地巖熱供熱技術

       通過鉆機向地下一定深處高溫巖層鉆孔,在鉆孔中安裝密閉金屬換熱器,通過換熱器傳導將地下深處的熱能導出,并通過地面能源換熱站熱泵機組將地巖熱提出或調峰加熱向用戶建筑物供熱。“取熱不取水”,實現無干擾潔凈供熱,完成對低品位地巖熱能的開發利用。

       供熱原理(間接供熱)

      (1)向地下一定深處巖層鉆孔;

     (2)在鉆孔底部安裝熱交換設備,一次網為閉式循環系統,取熱不取水;

      (3)通過專用設備換熱系統向地面建筑供熱。(見圖2)

       1.3   地巖熱供熱通用特點

     (1)地巖熱屬于新的地熱能源,暫時沒有國家相應的標準規范要求,項目立項暫不需要環境評價,但地巖熱鉆孔需要發改委備案核準、國土資源局、水務局等進行監管,專業隊伍進行地熱資源勘探、取樣、測試,以獲取水文地質參數及地溫梯度、巖石層熱儲量等基礎信息,確定熱儲類型。

     (2)地巖熱供熱技術是一種廣義上利用地熱能的技術,不需要非常高的溫度,在地下2000m左右就可以獲得供熱所需的熱量,目前所確定的孔徑(DN200mm)、鉆探深度(2000~3000m)為性價比最佳做法,經測試,一個2500m深的換熱孔可以滿足1~1.5萬m2建筑供熱,為獲取更多熱量所嘗試的孔徑增大、深度增加方法會大幅度增加項目成本;

     (3)根據室外溫度變化,地巖熱供熱可以采用直接供熱和間接供熱兩種運行方式。供熱初末期,可以采用直接供熱,將地巖熱由循環水泵加壓至熱用戶,適宜大流量小溫差供熱;供暖嚴寒期采用間接供熱,利用熱泵機組隔壓換熱,熱泵機組以前為一次網地巖熱取熱模塊,熱泵機組以后為二次網供熱模塊,熱泵機組利用電能驅動提高二次網供水溫度同時降低一次網回水溫度,地巖熱取熱模塊為大溫差小流量運行方式,系統水質能保證,阻力小。

       2   地巖熱供熱運行實例

       詳見表1。

       3   地巖熱供熱技術的相關政策及風險

       3.1   政策支持

       2017年1月,國家《地熱能開發利用“十三五”規劃》提出:在“取熱不取水”的指導原則下,進行傳統供暖區域的清潔能源供暖替代,實現地熱資源的可持續開發。在“十三五”時期,新增地熱能供暖(制冷)面積 11億平方米;同時,現在開展地巖熱供熱不需要做環評報告及節能評估。

       3.2   技術優勢

       地巖熱供熱與以下供熱方式相比的技術優勢詳見表2。

       3.3   投資風險

     (1)地巖熱供熱初投資約為傳統燃煤鍋爐供熱的5倍左右,運行費用為傳統燃煤供熱方式的1/3左右,在不考慮單獨制冷、沒有能源稅、沒有政府補貼等前提下投資回收期約10年。

     (2)打井的風險

       工程初投資的80%費用為打井費用,打井的風險包括打井深度及地熱情況、打井工期及以下情況下的其他風險:

     (1)溶洞:灌漿灌不滿,需要重新鉆孔;

     (2)立巖:孔距相聚10米都有可能發生,需要換鉆頭、打磨或重新鉆孔,成本及工期延長;

     (3)工具及工人水平:如鉆頭損壞、操作不當等問題。

       3.4   運行風險

       由于上述供熱運行實例項目均為間歇供熱,且都沒有達到設計滿負荷,供熱效果都很好。但應考慮以下有可能存在的運行風險:

     (1)地巖熱取熱的熱量衰減

       在長時間的取熱過程中,地下巖層溫度應能夠保持并恢復,以保證恒定的一次網出水溫度;如果不能保證,將會增加熱泵的電耗及運行成本;

     (2)地巖熱換熱的換熱效果及底下管道設備運行壽命。

       尤其在直供情況下,在加強控制水質和失水率的前提下,能否保證鉆孔底部金屬換熱器的換熱效果及壽命;管道及金屬換熱器材質能否保證2.5km里深水力靜壓下的壽命,以及在滿負荷直供大流量、大阻力工況下的管道壽命。

       4   地巖熱供熱的建議及策略

    (1)選擇一個長期固定的專業鉆井隊伍,可以為鉆井投入保險,或采用PPP模式,可以有效的控制鉆井成本及分擔風險。

    (2)爭取政府的補貼及銀行的融資政策,強調項目的市政功能和穩定收入,以減少初投資風險;

    (3)考慮在鉆井管中管外側回水管道與土壤之間增加擾動湍流換熱效果,減少底層換熱器的換熱壓力;

    (4)系統適合地板采暖,或者風機盤管系統。制冷需要有獨立的冷卻塔和制冷系統,與地熱資源沒有關系;

    (5)應當適當考慮備用加熱熱源;在有峰谷電價的政策下,夜間可以用熱泵將地熱儲存起來,利于白天直供供熱,減少運行成本,并增加夜間的換熱效果。

       5   總結

       地巖熱供熱有其獨到的技術優勢:無廢氣、廢液、廢渣排放,治污降霾成效顯著;系統與地下巖層物理隔離,只取熱不取水,對水環境無干擾;地熱開發不受場地條件和環境溫度制約,出熱均勻,可有效解決孤島供熱問題。但對于任何新技術的應用,都應該存在風險意識,畢竟風險和機遇并存。我院將不遺余力進行這方面的研究與設計,也希望與各大知名院校、設計院所、兄弟部門積極合作,為城區供熱發展、為國內的美好藍天和繁星閃爍、為能源的有效利用做出自己的貢獻。

備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
                 版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

 
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