地热能开发应用技术＊

2021-06-06田斌守

甘肃科技 2021年7期

田斌守

（1.甘肃省建材科研设计院有限责任公司，甘肃兰州 730020；2.兰州宏方新型建材科技有限公司，甘肃兰州 730020）

1 地热能概述

地热能是蕴藏在地球内部的热能，是一种清洁的可再生能源。分布广泛，资源丰富，成为继太阳能、风能之后又一种大力发展的清洁能源，有望成为能源结构转型的新方向。近年来地热能应用在我国发展很快，特别是雄安新区地热规划、西安创新港无干扰地热大量应用、西藏高品质干热岩等规模应用和勘探成果更是加速了地热应用的进程。但是，也出现了一些问题，如有些地热工程经过几年的使用，效率下降，甚至无法持续，主要是因为对地热不熟悉，技术路径选择有误及使用不当造成的。因此，需要对地热能有一个全面的认识，以下从储藏方式、埋藏深度、开采方式、适用条件等几个方面进行了介绍，供大家参考。

1.1 地热资源分类

按国家标准《地热能术语》的规定：赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中，能够为人类开发和利用的热能称之为地热能。地热能通常根据埋藏深度、储存介质等有几种不同的分类方法，以深度分为浅层地热能（从地表至地下200m深度范围内）、中深层地热能（地下200～3000m）、深层地热能（地下深度大于3000m）；按赋存介质可以分为水热型地热能（赋存于天然地下水及其蒸汽中的地热资源）、岩热型地热能（赋存于固体岩石中的地热资源）等。对于一个具体的地方，有可能几种地热资源同时存在，既有水热也有岩热，埋藏在不同深度处。相比较而言，岩热型资源更普遍，任何地方只要向地下钻井，总能够达到热岩层，我们要考虑的只是经济性因素。

1.2 地热资源储量

根据国际能源署（IEA）、中国科学院和中国工程院等机构的研究报告显示，世界地热能基础资源总量为1.25×1027J（折合4.27×108亿t），其中埋深在5000m以浅的地热能基础资源量为1.45×1026J（折合4.95×107亿t）。在“十二五”期间，中国地质调查局组织完成全国地热能资源调查，中国内地336个城市可采资源量折合7亿，可供320亿m2建筑供暖制冷；水热型地热能可采资源量折合18.65亿t；埋深3000～10000m干热岩型地热能基础资源量约为2.5×1025J（折合856万亿t）浅层，其中埋深在5500m以浅的基础资源量约为3.1×1024J（折合106万亿t）。又据中国地质科学院水文地质环境研究所的研究成果显示，我国主要平原盆地内的中深层传导型3km以浅的岩热资源量为24964.4×1012MJ，折合标准煤8531.9亿t（相当于2015年我国能源消费总量的198倍）[1-4]。从上可以看出地热资源储量巨大，开发前景广阔。

这么大量的地热资源，根据埋深和赋存方式，有不同的开采利用方式。众所周知，地球的物理结构从外到内依次为地壳、地幔、地核，每层有各自不同的深度和特点。同样地，由于受到地球内部放射性物质影响、太阳能辐射、气候变化等因素，地球内部温度也有一定分布规律，从地面向下可以分为变温层（也称为外热层）、恒温层、增温层。变温层在地下约10m以浅，受太阳能辐射的影响，岩土温度一年四季都处于变化中；其下是恒温层，约地表下200m左右处，岩土温度年度基本维持恒定；恒温层下面是增温层，越往下岩土温度越高，直至地核深处。温度增高的幅度用地温梯度表示，即地温随深度变化的速率，单位为℃/hm或℃/km。我国大陆平均地温梯度约3℃/hm[2]。

2 地热能利用现状

根据地热资源品质和赋存特点，地热资源的开发利用分为发电和直接利用两个方面。浅层地热、中深层地岩热、水热—中温和低温地热资源直接利用，供暖、生活热水、洗浴、设施农业等。干热岩—高温地热资源主要用于发电，目前还处于资源勘探和开采技术研究阶段。

2.1 浅层地热应用技术

浅层地热应用技术通常是利用土壤源热泵提取200m以浅土壤中的热量，向末端用户供热的工艺技术。利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热量交换[5]，其基本工作原理如图1所示。

图1 浅层土壤源热泵工作原理示意图

从图中可以看出，热泵蒸发端通过地埋管从土壤中吸热，然后从冷凝端释放出热量供给末端。根据换热管路的布置方式有水平排管和竖直排管两种方式。如图2所示。

图2 地源热泵地埋管方式

这种技术的优点是节能环保，不产生废气、废渣、飞灰等污染物，安装使用相对灵活，不受市政供热管网辐射的限制。缺点是换热孔施工需要较大的空间，在建筑密度高的区域无法较好的推广使用。自浅层低品位热源吸热，系统效率受限制，供热成本较高。

前几年在严寒寒冷地区建设了许多使用该技术的工程，后期陆续都出现了一些问题，主要是能效降低，供热成本大幅上升。其原因是地下取热的埋管位置位于地层的恒温带，其原始温度基本恒定，严寒寒冷地区夏季很少使用空调制冷，只是采暖季单一地从地下取热，这样就形成了“冷堆积”[9-10]，破坏了地层热汇平衡，致使地层温度一直降低，使得机组系统效率下降。该技术适宜的应用方式是冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季通过空调为建筑物制冷，并向土壤排热。这样可以保持地层温度相对稳定，从而可基本维持系统设计条件，使得机组在设计条件的工况下运行，保证末端负荷需求。因此，笔者不建议在严寒寒冷地区推广使用浅层土壤源热泵技术。

2.2 地下热水供热—水源热泵供热

水源热泵是利用地球表面浅层的水源，如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能资源，采用热泵原理，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地下热水供热系统就是利用水热型地热资源的热泵供热系统，热泵蒸发端从地下热水中吸热，冷凝后供给末端，地下热水换热后回灌到地层。根据取热和回灌路径分为单井系统和双井系统，如图3所示，单井系统抽水管道和回灌管道在一口井内布设，双井系统管路和回灌管路分开布置在抽水井和回灌井内[5-7]。

图3 利用地下热水的水源热泵系统原理

地下水源热泵技术可以具有较高的延米换热量，系统能效比（COP）较高，供热成本低。但是只能在地热富集（能够打出热水的）地区才能推广使用，同时存在回灌困难的问题。在抽水过程中，有时会导通地下潜水和承压水，使承压水污染加重，影响饮用水源，使用后排放的大量地热水可能会造成环境污染，需要采取相应的技术措施。由于回灌难度较大，因此在运行过程中，存在主观和客观原因地热尾水不回灌或回灌量不足，据地源热泵网消息，河北沧州地热开采井501眼，回灌井仅53眼。造成热水使用区域地面沉降，周边区域地下水资源的枯竭，有些应用工程已经出现了这样的问题。因此，近期一些地方政府主管部门纷纷出台政策治理，据河北省自然资源厅统计“2019年河北省面临关停的地热井保守估计达到1000眼，占比达80%，所涉及供暖面积高达5000～6000万m2”，出台限制、禁止水源热泵技术的还有山东、江苏、甘肃等。因此水源热泵技术首先要找到可开采的地下热水资源，其次设计好回灌系统，做到开采回灌平衡。

2.3 干热岩

干热岩是指不含或仅含少量流体，温度高于180℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体，一般温度大于200℃，埋深数千米（约3000m以上）。干热岩是优质地热资源，不具有普遍性。例如在我国青海共和盆地发现的干热岩为高品质干热岩，地表向下3705m处井底温度为236℃，2800～3705m井段地温梯度大于80℃/km。开发干热岩的技术一般称之为EGS (Enhanced Geothermal Systems) 系统，是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能，在这过程中，将一部分没有利用到的水蒸气或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复[8][11]。其工作原理如图4所示。

图4 利用干热岩发电系统原理

据中国地质调查局研究，我国地热资源构成中，干热岩资源占主导地位，其可采资源量是3km以浅的水热型地热资源量的168倍。目前我国干热岩的主要任务是开展全国性深井地热测量、干热岩资源分布与赋存条件、人工压裂等地热发电开发利用关键技术研究[2]。

2.4 中深层地岩热供热

中深层地岩热是地表下200～3000m处储存在土壤、岩石中的地热，基本没有水、蒸汽等流体，是传导型地热资源。根据上面论述我们知道，中国内地平均地温梯度约30℃/km，那么3000m处地温约80℃，这部分地热能普遍存在，可广泛用于建筑物采暖、生活热水、游泳池、宾馆洗浴、设施农业等。

中深层地岩热技术是指通过钻机向地下一定深处（约2500m）岩层钻孔，在钻孔中安装一种密闭的金属换热器，通过换热器利用换热介质循环运行将地下深处的热能导出，并通过专用设备系统向地面建筑物供热的新技术[11-13]。地下换热孔有同轴套管和U型管两种方式，目前用得较多的是同轴套管，其工作原理和地下换热孔构造示意图如图5、图6所示。

图5 中深层地岩热供热原理

图6 同轴套管式换热系统

有别于水热资源和干热岩需要地质探查确定，中深层地岩热基于地温梯度原理，由于资源量取决于地温梯度，资源普遍可得。该技术使用过程无污染，不受地面气候等条件的影响，能够有效保护地下水资源，可以实现地热能的清洁、高效、持续利用。实现了“取热不取水”的地热利用新方式。单口换热孔可满足总建筑面积1.5～2m2的绿色节能建筑的供暖需求。

这种技术最为大众关注的是热影响半径和地温恢复周期，利用数值模拟分析了地温在空间和时间尺度上的分布情况，换热量的变化规律等。分析结果如图7、图8所示，换热井不同深度热影响半径不同，最低处热影响半径为8m。采暖季结束后90d内地温基本恢复，120d全程恢复。