田斌守，邵繼新，司雙龍，夏 斌，藺瑞山，楊海鴻

(1.甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州宏方新型建材科技有限公司，甘肅 蘭州 730020)

可再生能源、綠色建筑、新型材料研究。

0 引言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，能源需求不斷增長。由于化石類能源在我國能源消費結構中占有的比重最大，2017年我國一次能源消費占比煤炭60.4%，石油18.8%，天然氣7.0%[1]。2018年煤炭、石油、天然氣等化石能源約占我國一次能源總消費量的84.7%，僅煤炭占57.7%[2]，隨之而來的是環(huán)境污染狀況加劇。對于我國三大重要耗能大戶“工業(yè)、建筑、交通”之一的建筑行業(yè)而言，因為城市化進程加快、人民生活水平提高，建筑能耗(建筑能耗從大類可以分為兩部分：建造能耗和建筑物使用過程中使用能耗，本文所指的建筑能耗是使用能耗)將會逐漸增大并維持在一個高位水平。據(jù)清華大學建筑節(jié)能研究中心研究結果：2018年我國城鎮(zhèn)化率為59.6%；城鎮(zhèn)人均住宅面積29 m2；2018年我國建筑建造和運行用能占全社會總能耗的36%，與全球比例接近，其中建筑建造占比為14%，建筑運行占比為22%；相應的建筑建造和運行相關的CO2占全社會能耗的比例約為42%，其中建筑建造占比為22%，建筑運行占比為20%[3]。隨著我國城鎮(zhèn)化和基礎建設的初步完成，建筑建造能耗比例會下降，使用能耗將會上升成為建筑業(yè)主要耗能項。大量的能源用于維持建筑的運行，影響國民經(jīng)濟發(fā)展，2018年建筑運行的總使用能耗為10億tce，建筑節(jié)能刻不容緩。

我國正在積極推進能源節(jié)約和能源結構調整工作，一方面采取有力節(jié)能措施降低能源消耗總量，另一方面大力推進新能源開發(fā)與應用，太陽能、地熱能、風能等清潔能源在能源消費總量占比逐年提高。其中地熱能是一種重要的新能源，儲量巨大，據(jù)中國地質科學院有關資料顯示，我國大陸3 000 m至10 000 m深處，干熱巖資源儲量相當于860萬億t標準煤，按國際通行的2%可開采資源量計算，相當于我國目前能源消耗總量的5 200倍，開發(fā)利用前景巨大[4]。前中國工程院副院長徐德龍院士團隊研究認為：地下4 000 m以內、半徑250 m以內區(qū)域蘊藏著豐富的熱能，巖層溫度降低1 ℃可釋放1.48×109MJ熱量，可為10萬m2小區(qū)供暖30年。

目前地熱應用技術有水源熱泵技術、淺層土壤源熱泵技術和中深層地巖熱技術，前兩者相對后者來說應用廣泛，民眾認知程度也比較高，中深層地巖熱技術是新近發(fā)展起來一種地熱應用技術。

1 中深層地巖熱供暖技術

1.1 地熱資源概述

地熱能主要源自地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變，以地熱形式存儲于巖石、土壤、地下水和氣體中，是一種綠色低碳的可再生能源，運用地熱能最簡單和最經(jīng)濟的方法，就是直接取用這些熱源。

根據(jù)地熱賦存形式、位置等，有不同的分類方法，不同種類的地熱資源其開發(fā)利用方式和用途也不同。NB/T 10097-2018《地熱能術語》中按賦存形式將地熱能分為水熱型地熱資源、巖熱型地熱資源，根據(jù)深度不同分淺層地熱能、中深層地熱能等[5]。

圖1 地熱資源賦存情況

地球從外到內可以分為地殼、地幔、地核，根據(jù)地球內溫度分布規(guī)律，從地面向下可以分為變溫層、恒溫層、增溫層。變溫層在地下約10 m以淺，受到太陽能輻射、氣候變化，巖土溫度一年四季都處于變化中；其下是恒溫層約100 m左右處，巖土溫度基本維持恒定；恒溫層下面是增溫層，約100 m深處，越往下巖土溫度越高。溫度增高的幅度用地溫梯度表示，即地溫隨深度變化的速率，單位為℃/100 m或℃/km。我國大陸平均地溫梯度約3 ℃/100 m。見圖1所示。

圖2 地溫分布

淺層地熱利用技術就是近幾年應用較廣泛的地源熱泵系統(tǒng)供熱技術，利用地下常溫土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內部完成熱量交換，有水平排管和豎直排管兩種方式。這種地熱應用方式主要是利用恒溫層地熱，投資不大，系統(tǒng)較簡單。主要的技術要點是做好熱匯平衡[6-7]，否則會影響系統(tǒng)能效比，甚至系統(tǒng)失效。

地下熱水供熱系統(tǒng)就是利用水熱型地熱資源的熱泵供熱系統(tǒng)即水源熱泵技術，采用熱泵原理，通過少量的電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。地下熱水資源不具普遍性，且不合理的開發(fā)地下熱水，可能會造成熱水使用區(qū)域地面沉降，周邊區(qū)域地下水資源的枯竭。目前許多地方已經(jīng)限制使用。

干熱巖是指不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當前技術經(jīng)濟條件下可以利用的巖體。利用干熱巖的技術也稱增強型地熱系統(tǒng)(EGS)。干熱巖資源是優(yōu)質的地熱資源，高品位地熱資源，主要用于發(fā)電，如我國青海共和盆地干熱巖，3 705 m處井底溫度為236 ℃，2 800～3 705 m井段地溫梯度大于80 ℃/km[8]。干熱巖資源不具普遍性，目前仍有一定的開發(fā)難度。

1.2 中深層地巖熱利用技術

綜上述，淺層土壤源熱泵技術、地下熱水源熱泵技術等各有特點，都是針對某些特定地熱資源，且都有一定的局限性，所以怎么用好其他地熱資源就是一個地熱利用的新課題。

基于地溫梯度原理，在2 500 m深處巖層溫度70～90 ℃——中深層地巖熱，這一部分熱能普遍存在，幾乎任何地方都有，資源量巨大。這部分地熱可以稱之為低品位地熱能，可廣泛應用于建筑供暖、設施農業(yè)、農產(chǎn)品加工、食品加工、工業(yè)干燥等領域。由此，科學合理地開發(fā)中深層地巖熱技術近年來得到業(yè)界關注。

目前開發(fā)利用中深層巖熱的技術路線是向地下一定深處巖層鉆孔，在鉆孔中安裝封閉循環(huán)的換熱裝置，通過專用設備系統(tǒng)向建筑物供熱[9-10]，其基本原理見圖3所示。主要是同軸套管或U型管換熱技術，其最主要的特點是“井下?lián)Q熱、取熱不取水”，這是《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》加強研發(fā)的關鍵技術[11]。

圖3 中深層地巖熱技術系統(tǒng)原理

1.3 中深層地巖熱地溫分布研究

中深層地巖熱技術換熱過程中地溫會有變化，人們關注單口井取熱的影響半徑有多大？根據(jù)取熱進程的持續(xù)，地溫恢復情況如何？這是該技術最受關注的問題。前者決定了井群布置策略，后者決定了系統(tǒng)持續(xù)使用的可行性。為此要研究地溫的空間分布情況和時間尺度上的變化情況。為此，利用CFD進行了模擬計算，結果見圖4、圖5所示。根據(jù)圖4顯示結果可知換熱井不同深度熱影響半徑不同，最低處熱影響半徑為8 m。因此，為了保證單井取熱量和換熱效率，換熱井之間的最小間距不應小于16 m。根據(jù)圖5顯示的結果可知，在采暖季結束后90 d內地溫基本恢復，120 d全程恢復。

圖4 熱影響半徑

圖5 地溫隨時間變化情況

2 校園工程供暖特點

校園工程的供暖要求與學校的作息時間密切相關，負荷變化較大。與通常的供暖工程要求不同，一般的商業(yè)辦公等公共建筑和家屬樓等居住建筑因為人員活動特點，均需連續(xù)穩(wěn)定供暖，使得建筑室內一直維持一個相對舒適的熱環(huán)境。但是學校是個特殊的活動場所，人員密集、集中，行動統(tǒng)一，具有明確的間歇性使用特點。對于無住宿要求的學校，僅正常學習時間供暖，即一周5 d供暖周末雙休日不供暖、節(jié)假日不供暖；且學生放學后晚上不供暖；在最寒冷的時間，學校放寒假，也無需供暖。因此學校最顯著的特點是在正常教學活動外存在“三不供”時間段，因此可以設計為在非供暖期間，系統(tǒng)達到防凍要求即可。

3 供暖系統(tǒng)設計

根據(jù)上述分析校園供暖的特點，校園供暖系統(tǒng)必須具有根據(jù)設定時間段、外界氣候變化而熱源側供給隨之變化的靈活控制調控策略，自控系統(tǒng)隨之調用不同模式，直供模式、防凍循環(huán)模式、機組供熱模式等，以實現(xiàn)精準供給，達到最低的能耗、最大的效益。基于此，該系統(tǒng)設計時采用時間、末端溫度(回水溫度)雙指標聯(lián)合控制，實現(xiàn)智能控制自主運行。供熱系統(tǒng)原理如圖6所示，1為換熱井，2為換熱管道，3為電動閥門，4、7為循環(huán)泵，5為控制系統(tǒng)，8為末端。

圖6 中深層地巖熱供熱系統(tǒng)原理

在初寒期、末寒期、“三不供”期地熱井直供，完全可以達到室內溫度要求，其余時間機組供熱，在控制系統(tǒng)中預設程序實現(xiàn)自動運行。同時系統(tǒng)中設計有末端反饋信號，出現(xiàn)極端天氣或有特殊情況需要，可以在直供和機組供熱兩種模式之間實現(xiàn)自由切換，保證末端的供熱需求。

4 工程建設及運行

4.1 工程建設地位置及氣候

工程位于甘肅省東南部通渭縣平襄鎮(zhèn)，屬隴中黃土高原丘陵壑區(qū)，多黃土梁、峁和河谷階地。東經(jīng)105.3°，北緯35.2°，海拔1 774 m，為溫帶半濕潤半干旱性季風氣候類型。年平均氣溫7.7 ℃，冬季最低氣溫一般在-20 ℃左右，夏季最高氣溫一般在30 ℃左右，年溫差較大，無霜期147 d。

4.2 示范工程概況

該工程為小學附屬一個幼兒園，總建筑面積14 697 m2。由于學校地處縣城郊區(qū)，周邊沒有市政集中供熱管網(wǎng)。為滿足冬季正常采暖，本工程采用中深層地巖熱技術供暖。

從建筑氣候區(qū)劃圖上分，該項目所在地屬于嚴寒C區(qū)(1C)，年均氣溫5.7～7.7 ℃。采暖度日數(shù)HDD18為3903 ℃·d，采暖期室外平均溫度-1.9 ℃，計算采暖期152 d。校園內各單位建筑的設計熱負荷如表1所示?？偣嶝摵?40 kW。

表1 各建筑設計熱負荷

5 換熱井測試及試運行效果

從開工至成井、安裝換熱管道約30 d時間。打井工作完成后，為了準確掌握中深層換熱井的地熱特性，委托中國科學院地質與地球物理研究所對井溫、地溫梯度分布情況進行了現(xiàn)場測試。

5.1 測試依據(jù)

(1)《地球物理測井規(guī)范》(DZ/T 0080-2010)。

(2)《水文測井工作規(guī)程》(DZ/T 0181-1997)。

(3)《地熱資源地質勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)。

5.2 測試設備

鉆井溫度采集系統(tǒng)使用澳大利亞生產(chǎn)的DS2000新型溫度連續(xù)采集系統(tǒng)，配置鉑電阻探頭，儀器精度0.1 ℃，數(shù)據(jù)采集間隔0.05 m，能夠滿足5 000 m深度測井要求。

5.3 測井結果

測得井深-溫度分布曲線如圖7所示。

圖7 井深-井溫分布曲線

從圖中可以看出，井底溫度達到69.5 ℃，全程平均地溫梯度5.5 ℃/100 m，換熱段平均地溫梯度約7 ℃/100 m。實際結果優(yōu)于最初的設計條件。

5.4 采暖季運行概況

工程建成后地面上可見部分有一座面積50 m2的機房和一個井蓋，如圖8所示。換熱機組、泵及管道布設在機房中，圖中右側是換熱井，完工后地面只有一個井蓋，可設在綠化帶或馬路上，不占用土地，也不影響周邊建筑。

圖8 中深層地巖熱供暖工程機房、換熱井

2019～2020年度采暖季投入運行，地面換熱井出水溫度39～51 ℃，供回水溫差11.5～18.2 ℃，日換熱量4 270 kWh。教學期間的室內溫度保持在18.5～21 ℃之間，測試期單位建筑面積月運行費用僅為0.95元/(m2·月)，特別是在地熱井直供狀態(tài)下，供暖成本約0.08～0.1元/(m2·月)。供暖季尚未結束，整個采暖季的供暖成本還沒有出來，估算正常年度整個采暖季的運行費用約為1.20元/(m2·月)，當?shù)厥姓┡召M標準公共建筑為6.75元/(m2·月)?？梢钥闯鲋猩顚拥貛r熱校園供暖成本約為市政管網(wǎng)的17.8%，節(jié)能效益非常顯著，相應的碳減排量非常可觀。

6 結論

(1)同軸套管換熱的中深層地巖熱技術具有廣泛的普適性，可以很好地開發(fā)利用低品位地熱能。

(2)中深層地巖熱技術系統(tǒng)簡潔，占用土地少，環(huán)境相容性較好。

(3)根據(jù)中小學校園特殊的作息制度，優(yōu)化設計控制方式可以實現(xiàn)精準供暖，最大限度地降低能源消耗。

(4)本校園工程利用中深層地巖熱技術供暖，學校供暖成本可以節(jié)約80%。