姜曙，劉芳芳，劉媛媛，陳啟召，連麗，任夢楠

（1.河南工程學院，鄭州 464211；2.國網(wǎng)河南省電力公司技能培訓中心，鄭州 450051；3.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450046；4.中國電建集團河南工程有限公司，鄭州 450051）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高和供暖/供冷區(qū)域的不斷增大［1］，化石能源的消耗量越來越大，能源供應(yīng)日趨緊張，能源消耗帶來的環(huán)境問題也越來越明顯。2020年我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”［2-4］。面對能源和環(huán)境的雙重壓力，亟須大力發(fā)展清潔能源。地熱能具有儲量大、受天氣變化影響小、穩(wěn)定性好的特點，應(yīng)用前景十分廣闊［5-7］。

我國地熱資源儲量豐富，約占全球地熱資源的1/6，且以150 ℃以下的中低溫地熱為主［8］。2015 年我國地熱能年利用總量約為6.0×105TJ［9］，蒸汽型、水熱型和干熱巖型地熱是目前利用的主要對象［10］。近10 年來，我國以水熱型地熱為主要開發(fā)對象，其直接利用量的年均增長速度高達10%［11］，截至2019年年底，我國地熱能直接利用的裝機容量為40.6 GW，位居世界第一［12］。研究表明，2050 年地熱資源將可為全球提供3.9%的能量，并降低800 Mt的CO2排放量［13-15］。地熱供暖是充分發(fā)揮中低溫地熱資源品位優(yōu)勢的利用方式［16］。羅佐縣等［17］對中國地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間進行了分析，指出我國淺層地熱能利用占比居首，為52%；其次是水熱型地熱供暖，占比為27%；再次是溫泉利用，占比18%；其余利用方式占比3%。近期應(yīng)聚焦高溫發(fā)電技術(shù)，中長期應(yīng)聚焦中低溫和干熱巖發(fā)電，堅持梯級利用路線，發(fā)展“溫泉+地熱直接利用”模式。李健等［6］對地熱發(fā)電技術(shù)及其影響因素進行了研究，指出我國的地熱資源是以150 ℃以下的中低溫地熱為主，有機朗肯循環(huán)（ORC）和卡林那循環(huán)在地熱發(fā)電領(lǐng)域有更大的發(fā)展空間。薛頎［18］對淺層地熱能高效換熱技術(shù)進行了研究，指出高效能源井的取熱量及釋熱量遠高于U 型地埋管，可大幅減少工程中的換熱井數(shù)量和占地面積。王貴玲等［19］針對我國不同地區(qū)地熱特點，給出了適用的地熱供能模式。王文中等［20］對我國淺層和中深層地熱能的利用進行了研究，指出未來淺層地熱能的研究、開發(fā)及利用應(yīng)主要集中在地下?lián)Q熱方式、提升換熱效率和減小占地空間面積等方面；中深層地熱開發(fā)利用研究應(yīng)集中在勘查開發(fā)、尾水回灌、地熱發(fā)電及管理利用、干熱巖等方向。

近些年，我國地熱直接利用多應(yīng)用于制冷、供暖、養(yǎng)殖、干燥、旅游等領(lǐng)域：其中，地熱發(fā)電占0.50%，供熱采暖占32.70%，醫(yī)療洗浴與娛樂健身占32.32%，養(yǎng)殖占2.55%，種植占17.93%，工業(yè)利用占0.44%，其他占13.56%［21-24］。但關(guān)于地熱梯級利用的研究相對較少，對于地熱與其他可再生能源耦合的研究也不多見［25-26］。本文將某景區(qū)地熱水與太陽能光熱、光伏發(fā)電進行耦合，將地熱水用于發(fā)電或取暖這種單一、粗放的應(yīng)用模式向梯級利用、集成應(yīng)用方向發(fā)展，開拓了地熱能在工程中的應(yīng)用范圍，在工程中實踐了“地熱能+”的綜合梯級應(yīng)用。

1 資源分析

1.1 區(qū)域地熱資源概況

該景區(qū)地熱田屬于Ⅱ-2 型，熱儲溫度平均值為138.8 ℃。熱礦水的礦區(qū)范圍為東經(jīng)109°39′15″～109°40′10″，北緯18°41′56″～18°42′34″。20 世紀70年代，曾施工鉆地熱井孔12 眼，目前僅存鉆孔5 個，自流泉4 個，熱礦水水溫介于66～95 ℃，開采量合計為3 031 m3/d。熱礦水屬于碳酸氫鈉型水，對鋼構(gòu)件具有弱腐蝕性，對鋁構(gòu)件具有強腐蝕性，礦化度低，水質(zhì)好。目前該景區(qū)可利用地熱井（溫泉眼）的資源情況見表1。

表1 景區(qū)自流泉的資源情況Table 1 Situation of artesian springs in the scenic spot

1.2 地熱能梯級利用

以最大程度地提高地下熱水的有效溫差為原則，考慮地熱利用方式對溫度的要求以及當?shù)氐目陀^需求，將本次工程的地熱梯級利用流程依次設(shè)計為地熱發(fā)電、地熱制冷、地熱干燥、地熱洗浴，地熱梯級利用為串聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

1.3 地熱資源分析

1.3.1 確定可利用地熱水

按照上級主管部門“不新增抽水泵，不打新井”的要求，只對目前自流部分的地熱水進行開發(fā)利用。該景區(qū)4口自流井的地熱水全部流入地熱水匯集站統(tǒng)一使用。

根據(jù)表1，可利用的地熱水總流量=590+578+187+264=1 619（m3/d），可利用地熱水的平均溫度=92×（590/1 619）+95×（578/1 619）+90×（187/1 619）+95×（264/1 619）≈93（℃）。

1.3.2 計算熱損失

單根直埋管道單位長度的熱損失為

式中：t為供熱介質(zhì)溫度，℃；tt為管道中心埋深處的土壤自然溫度，取5 ℃；ΣR為管道總熱阻，m·℃/W。

式中：Rb，Rt分別為保溫層和土壤的熱阻，m·℃/W；λb為保溫材料的熱導率，聚氨酯泡沫塑料熱導率取0.033 W/（m·℃）；λt為土壤的熱導率，濕土熱導率取2 W/（m·℃））；h為管溝中心的埋設(shè)深度，本文取2 m；Dw為保溫層外徑，m；D0為管道外徑，m。

以鉆井ZK4 為例（264 m3/d），計算經(jīng)過100 m 的DN100 帶保溫材料的管道，溫降約為0.131 ℃?？紤]管道溫降，到達地熱水匯集站時，地熱水溫度約為87 ℃。由于該溫度較低，地熱發(fā)電機組選型壓力大，國產(chǎn)機組無法滿足項目需要，需利用太陽能光熱系統(tǒng)對地熱水進行二次加熱，來提升地熱發(fā)電的熱水溫度。

1.4 景區(qū)太陽能資源概況

該景區(qū)地處我國華南地區(qū)，屬熱帶季風氣候：年平均氣溫為22～27 ℃，≥10℃的積溫為8 200 ℃，最冷的一月份溫度仍達17～24 ℃；太陽能年總輻射量為1 625～1 855 kW·h/m2，年光照時長達為1 750～2 650 h，光照率為50%～60%，光溫充足，光合潛力高。

1.4.1 景區(qū)太陽能資源

（1）輻射分析。項目地點太陽能輻射數(shù)據(jù)及逐月氣溫暫采用PVsyst7.2 軟件中Meteonorm8.0 數(shù)據(jù)（1991—2000年均值，見表2），選取場址中心坐標東經(jīng)109°41′，北緯18°40′，海拔899 m。

表2 Meteonorm8.0 水平面數(shù)據(jù)Table 2 Meteonorm8.0 horizontal data statistics tablet

（2）軟件模擬數(shù)據(jù)分析。本項目光伏組件布置于廠區(qū)水池、泵房、車棚頂面，光伏傾角選13°～20°為宜，按最佳傾角15°設(shè)計，方位角0°。

1.4.2 太陽能資源評價

（1）本文根據(jù)QX/T 89—2008《太陽能資源評估方法》中的太陽總輻射的年總量為評價指標，將太陽能資源劃分為4個等級：最豐富、很豐富、豐富、一般，詳細劃分標準見表3。

表3 中國太陽能資源評估標準劃分Table 3 Classification of China's solar energy resource assessment standards

查詢Meteonorm8.0，項目所在地的太陽總輻射為6 140 MJ/（m2·a），根據(jù)表3，該等級屬于B 級“很豐富”。

（2）資源穩(wěn)定度為日總量最低值與最高值的比值（本項目資源穩(wěn)定度為0.659）。根據(jù)我國太陽能資源穩(wěn)定度的等級劃分（見表4），項目所在地的太陽能資源穩(wěn)定度屬于A級，“很穩(wěn)定”。

表4 中國太陽能資源穩(wěn)定度等級劃分Table 4 Classification of solar resource stabilityin China

（2）直射比是衡量一個地方水平面上太陽直接輻射占總輻射的比值。根據(jù)計算，項目所在區(qū)域近年的平均直射比為0.46，等級為C，即散射輻射較多（見表5）。

表5 中國太陽能直射比等級劃分Table 5 Grading of direct radiation ratio in China

1.4.3 光伏組件選型及安裝

太陽能光伏發(fā)電最核心的器件是太陽能電池，商用太陽能電池的主要類型為：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。

單晶硅、多晶硅太陽能電池由于制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉(zhuǎn)化效率相對較高的特點，被廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。非晶硅薄膜太陽能電池穩(wěn)定性較差、光電轉(zhuǎn)化效率相對較低、使用壽命相對較短，但由于其擁有良好的弱光發(fā)電能力和溫度特性，在一定程度上可減少電網(wǎng)的波動。綜合分析，本工程推薦選用單面單晶硅半片太陽能電池組件。截至目前，該類型組件市場上主流功率集中在530～545 Wp，本工程推薦采用540 Wp半片組件進行設(shè)計。

太陽能電池陣列布置必須考慮前后排遮擋問題，一般的確定原則是：冬至日當天09：00—15：00保證陣列不會有陰影遮擋。

綜上所述，該景區(qū)地熱資源和太陽能資源豐富，通過地熱資源的梯級利用，可滿足各種用能需求。酒店旁邊有空地，具備安裝太陽能的條件，通過太陽能光熱可以提高溫泉水溫，滿足國產(chǎn)地熱發(fā)電機組要求，通過太陽能光伏可以實現(xiàn)熱泵等設(shè)備近零碳供電。

2 理論計算

式中：Qin，Qout為換熱設(shè)備流入與流出的熱量；W為ORC 系統(tǒng)發(fā)電功率；qm為地熱水質(zhì)量流量；c為水的比熱容；Δt為地熱水進出口溫差；EER為吸收式熱泵制冷性能系數(shù)；Qc為制冷量；Qh為吸收式制冷機消耗的熱量；Qe，QS為地熱資源的有效利用熱量和供熱量；QL為整個系統(tǒng)損失的熱量；Qw為ORC 系統(tǒng)輸入的熱量；ηg，ηe為發(fā)電設(shè)備和換熱設(shè)備的工作效率；ηc為整個系統(tǒng)的綜合能源利用效率。

3 梯級利用方案設(shè)計

3.1 “地熱能+”梯級利用系統(tǒng)

本項目可用于發(fā)電的地熱水溫度為80～90 ℃，溫度低、流量低、單機裝機小，地熱發(fā)電機組選型壓力大，國產(chǎn)機組無法滿足項目需要。利用太陽能光熱對地熱水進行二次加熱，提升了地熱發(fā)電的熱水溫度，增加了ORC 中低溫發(fā)電機組發(fā)電的穩(wěn)定性和發(fā)電效率。

能源站屋面結(jié)構(gòu)布置如圖2 所示，冷負荷指標取100 W/m2，制冷功率取整275 kW。

圖2 “地熱能+”梯級利用系統(tǒng)Fig.2 "Geothermal energy+"cascade utilization system

將地熱水溫度提高約5 ℃，需要的熱負荷=1 619/24/3.6×4.2×5≈393.5（kW）。選用槽式太陽能低倍聚光器，單組聚光器占地面積約20 m2，聚光效率75%，太陽能輻射量9 kW/m2，則需要28組槽式太陽能低倍聚光器，占地面積約560 m2。項目方案最終采用60 kW 中低溫ORC 螺桿膨脹發(fā)電機組（國產(chǎn)）+275 kW制冷機組+600 kW干燥機組+390 kW光熱+41 kW光伏發(fā)電裝置，實現(xiàn)地熱能的梯級利用。

3.2 “地熱能+”系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)圖2的流程，設(shè)計項目ORC發(fā)電系統(tǒng)、兩級制冷機組和地熱干燥裝置參數(shù)，見表6—8。

表6 ORC發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工況參數(shù)及計算結(jié)果Table 6 Designed and calculated parameters of the ORC power generation system

將參數(shù)代入式（1）—（8）計算可知，ηg=4.26%，EER=0.41，ηc=57.5%。

3.3 光伏系統(tǒng)

3.3.1 裝機容量

本項目建設(shè)容量為86.9 kWp，交流側(cè)裝機66 kW。工程生產(chǎn)運行期為25年，首年發(fā)電量為126.1 MW·h，首年上網(wǎng)小時數(shù)為1 450；運行期間的年均發(fā)電量為117.2 MW·h，年均上網(wǎng)小時數(shù)為1 348。

3.3.2 接入系統(tǒng)

根據(jù)國家電網(wǎng)公司編制的《國家電網(wǎng)公司分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)典型設(shè)計（2016 版）》（設(shè)計范圍為10 kV 及以下電壓等級接入電網(wǎng)，且單個并網(wǎng)點總裝機容量小于6 MW 的分布式電接入系統(tǒng)方案設(shè)計）接入電壓等級規(guī)定，對于單個并網(wǎng)點，接入的電壓等級應(yīng)按照安全性、靈活性、經(jīng)濟性的原則，根據(jù)分布式電源容量、導線載流量、上級變壓器及線路可接納能力、地區(qū)配電網(wǎng)情況綜合比選后確定。

表7 地熱兩級制冷機組系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 7 Technical parameters of geothermal two-stage refrigeration unit system

表8 地熱干燥裝置（房）技術(shù)參數(shù)Table 8 Technical parameters of geothermal drying devices

分布式電源并網(wǎng)電壓等級根據(jù)裝機容量進行初步選擇的參考標準見表9。

表9 分布式能源并網(wǎng)電壓等級Table 9 Voltage level of grid-connected distributed energy

結(jié)合本工程用電現(xiàn)狀，采用380/220 V接入現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)方案。

3.3.3 光伏發(fā)電場主接線

泵站及水處理站直流側(cè)均采用1 100 V系統(tǒng)，每16～18 塊光伏組件串聯(lián)為一個光伏組串，匯流后接至33 kW 組串式逆變器，共計2 臺逆變器，選用交流380 V逆變器，接入站內(nèi)低壓系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文以所在地地熱資源條件為基礎(chǔ)，通過將地熱能、光熱及光伏發(fā)電在能源站中合理配置，形成“地熱能+”的綜合能源系統(tǒng)，實現(xiàn)地熱能由單一、粗放應(yīng)用向梯級、集成應(yīng)用發(fā)展，提高了能源綜合利用效率，實現(xiàn)了用能最優(yōu)。

本次工程的地熱能按照溫度進行梯級利用，依次用于地熱發(fā)電、地熱制冷、地熱干燥及地熱洗浴中。

通過槽式太陽能低倍聚光器加熱地熱水，用于中低溫ORC 螺桿膨脹發(fā)電機組發(fā)電；通過太陽能光伏發(fā)電，實現(xiàn)了熱泵機組、水泵等設(shè)備的近零碳供電，最終實現(xiàn)了地熱能的梯級利用。該項目符合國家節(jié)能減排、持續(xù)發(fā)展主題，可為其他工程提供經(jīng)驗。