[科普中国]-地热区域供热

地热用于区域供暖的系统形式城市热网与地热能复合型集中供热

目前，我国的集中供热系统一次网设计参数通常为130℃/70℃，二次网设计参数根据末端型式的不同而不同。随着建筑能耗的不断降低和低温供热技术的蓬勃发展，二次网设计供水温度不断降低，甚至可以达到40℃以下，这样在热力站处的不可逆损失将会更大，此时采用吸收式换热机组，充分利用一二次网之间的换热温差，会大大提高机组的供热效率。同时，吸收式换热机组结合低温供热技术也为可再生能源的利用提供了有力条件，比如地热和太阳能。据北欧丹麦等国资料，采用低温供热的建筑回水温度达到20℃左右就能满足冬季采暖负荷的需求。这样低的热水温度，吸收式换热机组的COP可以大幅提升，可以更多地吸收低品位的地热等可再生能源，提高可再生能源在供热负荷中的比例2。

基于上述考虑，可以提出城市热网与地热能复合型集中供热技术。如下图所示，该系统主要由热源、一次热网、吸收式换热机组、二次热网、地埋管换热器等组成，其中吸收式换热机组由吸收式热泵和常规的板式换热器组成。一次网的高温热水（实际运行参数约为80~120℃）驱动热力站处的吸收式换热机组提取浅层地热能，吸收式换热机组将一次网的热量和提取的浅层地热一并供给二次网，从而增大二次网的供热能力。地热的提取分为两种形式，一种形式是采用地埋管提取土壤热的形式，即土壤源热泵；另一种形式是提取地下水热的形式，即水源热泵。根据计算，消耗1份的一次网热量，大约可以回收0.3份的地热，向二次网提供1.3份的热量，与原供热系统相比，供热能力提高30%左右，供热能耗降低20%以上。目前的所采用的地源热泵以电能驱动的压缩式热泵为主，虽然其供热的COP要高于吸收式地源热泵，但是在回收低品位热量的同时，还需消耗大量的高品位电能，运行成本很高。而吸收式热泵利用热能驱动，其一次能源利用率一般要高于压缩式热泵，特别是利用余热驱动时其节能效果更为显著。在城市热网与地热能复合型集中供热系统中，吸收式热泵利用一次网的高温热水驱动，原本一次网的热量要通过间接换热的方式输送给二次网的热用户，通过这种新方式不但将这些热量输送给了用户，还通过吸收式热泵回收了一部分低品位的浅层地热。因此与耗电的地源热泵相比，可以认为这些浅层地热的获得没有额外的能源消耗，无疑是一种更先进的供热方式，具有更高的能源利用率和经济性2。

与分散的电制冷方式相比，夏季利用城市热网进行集中供冷的效率较低，经济性较差，因此，城市热网的夏季利用率很低，通常为闲置状态或只为少量的热用户供应生活热水。而随着燃料价格的不断上涨，电厂夏季供应生活热水的成本也越来越高，基本处于亏损状态，导致热网的闲置率更高2。

在城市热网与地热能复合型集中供热系统中，热力站处的吸收式换热机组夏季可以切换至制冷工况，作为吸收式制冷机使用，制冷机的排热可以全部或者部分地排至地埋管换热器中，对土壤进行蓄热，这样就可以省去夏季供冷制冷机的投资和部分冷却塔的投资，这可以改善了夏季利用城市热网进行集中供冷的经济性；另外，夏季热电联产电厂的汽轮机以纯凝工况运行，有大量的排汽余热（温度为37℃左右）和烟气余热（排烟温度通常为90℃以上）直接排掉，如果能把这些热量全部或者部分地回收用于供冷，可以大大提高电厂的供热效率，从而提高夏季供冷的能源利用率2。

为了提高电厂的供热效率，进而使集中供冷变得节能，需要回收电厂的余热用于供冷，而回收电厂的余热，需要温度适宜的冷源。夏季制冷热网回水温度较高，较难回收余热来供冷，但是如果能将夏季的余热蓄存至土壤中，待冬季取出用于供热，不仅利于土壤的冬夏季热平衡，更提高了电厂的全年能源利用率（认为冬季热力站处吸收式换热机组的取热量全部来自夏季的循环水余热或者烟气余热，相当于余热的移季利用）。在北方地区，地埋管换热器的容量通常按照冬季热负荷进行设计，当系统夏季向土壤中的释热量大于冬季取热量时，热网回水的热量无法蓄存至土壤中，对夏季的制冷模式也将产生影响。因此，有必要分析不同建筑类型土壤以年为周期的热平衡状况2。

“地热水梯级利用+地源热泵+锅炉”形式系统采用“地热水梯级利用+地源热泵+燃气锅炉”综合能源方式，首先对地热水进行梯级利用，降低地热水的回灌温度，提高地热水的利用效率，然后采用以地源热泵为主的新型能源，大大减少了对环境的污染和资源的消耗，地热水梯级利用和地源热泵提供的能源占总能源的70%左右，剩余的30%，再采用传统的锅炉系统进行补充和调峰。冬季大部分时间的供暖负荷会低于总负荷的70%，这样优先使用地热水系统和地源热泵系统，可以非常有效的降低运行费用1。

地热水梯级利用系统共建设成13对地热井，13对地热井抽取的地热水或集中汇入一次热网或分别进入各分区区域的换热站（能源站），采用两级板式换热器对地热水进行换热：地热水出水温度70℃，先进入一级板式换热器组进行换热，温度降到42℃，再入二级板式换热器，经过二级板式换热器换热后地热水的温度降到9℃，作为地热尾水回灌到回灌井中；一级板式换热器二次侧水换热后的温度为40℃/50℃，提供热量32850kW，直接供给建筑采暖使用；二级板式换热器二次侧水换热后的温度为23℃/7℃（出/进级板式换热器），该水为热泵机组提供低温热源，通过热泵机组提取热量后，制出40/50℃（出/进热泵机组）的采暖热水，提供热量49780kW。两项合计为82630kW，约占总能源供给的45%。地源热泵系统拟共钻凿地源热泵换热孔数量为7800个，选择2300kW左右的地源热泵机组约20台，每个分区区域的换热站配置2~3台，这样总供热量为45360kW，约占总能源供给的25%。锅炉系统为每个站房配备独立的燃气锅炉进行调峰，共需78t左右的锅炉，提供热量54010kW，约占总能源供给的30%。系统原理流程图如下图1。

地热区域供热注意事项地热能并不是一种新能源，早在1904年意大利拉特莱罗地区就已经利用地热蒸汽发电。但是，当时存在着技术上的困难，因此在以后的50年中几乎没有被人们重视3。

我国的地热资源非常丰富，主要广泛分布在华北、东南部沿海和中西部广大地区。全国主要沉积盆地距地表两千米以内的地热能储量相当于2500亿吨标准煤的热量。可开发利用地热水总量约68.45亿立方米，约3284.8万吨标准煤的发热量，开发利用前景广阔4。

随着我国国民经济的迅速发展，我国的建筑能耗，特别是暖通空调能耗所占的比重越来越大，随之带来的环境问题也日趋严重。地热资源作为一种可再生绿色能源，在城市发展建设中正发挥着越来越重要的作用4。

地热水作为区域供暖系统的热源在技术上是可行的，与其它热源相比资源利用率最高，单位面积的经营成本也较低，尤其是地热资源在开采和运行过程对环境污染最小，这对改善大气温室效应，保持地球可持续发展最为有利，是一种很好的城市供暖的热源。因此在资源和经费允许情况下，应考虑选用地热供暖方案。但在开发利用过程中应建立资源保护意识，计划开采，合理利用，注意资源恢复，避免资源枯竭5。

各国地热区域供热情况冰岛是地热直接利用于区域供热最发达的国家，1979年已有24个公共集中供热系统，用地热采暖和供生活热水的居民已达69%，1981年6月可超过75%，在3一5年间将超过81%。冰岛政府还决定1990年要取消用矿物燃料燃烧采暖。五十年来，冰岛十多万人的首都，供热管线建成使用长度共591公里。其中地热田集输管线25公里，向市内输送的干线58公里，分配管网226公里，支户管线282公里。按人口平均每人5.3米。在地热井，用深井泵吸水。其目的是为了维持定压，以保证系统中水温超过100℃时不会沸腾，并保证水位增加流量。从井泵房通过集合管线输水至高位卧式贮罐。这个贮罐通大气，水中的氮气随着水的压力降低而在液面逸出。这就可以保证不会因氮的阻滞影响暖气循环，贮罐里的水经过水泵压送至输水干线。再集中到贮罐群。它可以起集合和分配作用，达到调峰的目的。贮罐容量为24小时平均负荷的15一30%，体积为75000立米，它由钢板焊接，矿渣棉保温。贮罐设计与油罐相似，但在保温层与钢壁间要留有排湿气的通风孔道。管线根据不同区域而不同，郊外有地上低架的钢管，矿棉保温，铝或镀锌铁皮外壳管线。市区干线为半埋地混凝土沟，沟盖露在地面上。沟内衬聚丙脂泡沫板。沟外有混凝土排水管。管道以矿棉保温。大量的分配管网多用钢管以聚氨脂泡沫保温，外加高密度聚乙烯硬塑料管外壳的直埋管。小室均为工厂予制，设人孔及放气孔。小室内的放水阀都有下水道接排池水。每个用户进口都装有专用水表，同时供暖和热水。每组散热器上都装有单独调节阀6。

丹麦从1877年开始集中供热，集中供热程度很高。现在全丹麦有400多个集中供热系统，供应30万幢楼房，由100万公里的供暖管道连接着。最长干线23公里，最大管径为1米。区域供热的比例占全部采暖房屋的50%。哥本哈根市正计划建100公里的供热干管，从热电厂往市内供热。奥丹斯市有一个热电厂发电65万千瓦，供热535百万大卡/时。15座燃油高峰锅炉房共有43台炉，每台供热12-120百万大卡/时，合计供热能力374百万大卡/时。供三万四午幢楼房，合计2600万M3。热化房屋为全市的92%。这个城市热力管网有925公里，干线距离14公里。从电厂至贮水罐管径为1米，热网出口为600毫米。管系为双管闭式。供水压力25kg/cm3，回水压力3.5kg/cm3。供水温度95一80℃，回水温度最高40℃。总循环水量8020m3/小时。补水量一般50m3/小时，贮水罐容积2000m3。在丹麦的供热系统中，目前的构成比为:燃油锅炉房占56%。热电站占38%，工业锅炉占1%，垃圾焚烧占5%。鉴于能源短缺的国际形势，丹麦极为重视节能。其制品工业都是围绕着如何节能来动脑筋。这也是它的制品工业发达的特点之一6。

法国从1969年开始利用地热能。到1981年底有十万套住宅已供地热或正在与地热供热系统连接。1990年将增至供一百万套住宅，相当于节省一百万吨进口石油。法国地热水的特点是钻井深，水温低。含盐量大。井深从1420-1690米，水温仅57-72℃，水量为150-200m3/时，含盐量高达13-16克/升。由于含盐量高，所以普遍采用钦板热交换器。法国使用的多为瑞典产的阿尔法热交换器，传热温差可以做到1℃。

我国地热区域供热情况我国利用温泉的历史久远。70年代初，地质学家倡导把地热作为可再生能源利用，到1990年我国的非电利用地热能消费量已跃居世界第二位。20多年来，我国在地热能开发利用方面建立了西藏羊八井地热发电示范基地、天津地热区域采暖示范基地、静海(天津市)、雄县(河北省)、新郑(河南省)和福建省农科院等4个农业利用示范基地、雄县与汝城(湖南省)地热田科学管理技术示范县，开展了地热资源评价，高温地热开发研究，地热温室利用技术，地热水产养殖、越冬、繁殖及高产技木，地热采暖、干燥及孵化技术，地热利用工程关键技术，地热水对环境影响及防治，地热综合利用与管理等的研究与推广，形成了一定的开发利用规模和地热产业。目前，地热开发利用的数量在全国一次能源消费量中，从统计数字上讲还微不足道，但是，在开发利用地热能的那些农村以至县(市)发挥了重要作用，活跃了当地经济，也改善了生活条件7。

我国地热区域供热己形成规模产业。全国地热供暖面积近800万m2，有地热疗养院400余所和温泉旅游度假村40多处。

天津市地热区域采暖由于近年的房地产业兴旺而加快发展。在70至80年代，开发利用的地热水储层浅，水温低，用途单一，大部分用于工业，如:汽车发动机厂将48℃地热水用于磷化车间;津福木业有限公司用48℃地热水加工木材、纤维板以及作为锅炉补给水;毛织厂用53℃地热水清洗毛毯提高着色率;棉纺四厂、食品四厂等20多个厂将地热水作为工艺过程和生活用水。90年代之后，开采层位由第三系转向基岩热储，采出的地热水温度最高可达97℃ ，多用于供暖，并且由单一用途转为综合利用。根据1997年的统计，全市已注册运行的地热生产井共计144眼。以采暖为主的约有90眼，区域供暖面积450万m2。开采相对集中在市区东南部地区(市区7个区中的河东和河西的地热供暖面积已占总供暖面积的30%)、塘沽区、大港区，武清县和静海县的开发规模正在逐步扩大。

天津市随着地热区域供热规模扩大，发展起来一批与地热工程配套的设备生产厂家与安装队伍、开发企业和研究单位，如蝶泉地热开发有限公司、泰丰热力公司等多家热力公司投资区域供热，甘泉集团公司生产地热井潜水泵、全自动恒压供水变频调速控制设备和除砂器等各种井口装置，极大地促进了地热开发利用与管理有序发展7。

北京已有地热开发单位82家，开发利用主要集中在东南城区和小汤山，地热供暖面积达42万m2，八达岭温泉度假村、新侨饭店等十多家星级饭店、宾馆都用上了温泉水。以温泉著名的龙脉疗养院开展一水多用，在13万m2土地上建了39座设有室内游泳池的高级度假疗养别墅，有不同温度的娱乐健身项目，例如北京最大的国际标准室内温泉游泳池以及中药桑拿浴、蒸汽浴、雾浴、雨浴等60多种温泉浴，并且配有垂钓中心、高尔夫球场、网球场、蒙古跑马场、射箭场、多功能大厦、名人俱乐部等。小汤山地区开发地热种植养殖业，建有20多hm2地热温室种植特菜，一年四季为涉外饭店宾馆、友谊商店、首都机场航空食品公司等提供大量适合的多种叶菜;园林局的地热温室大棚鲜切花基地每年产鲜切花近800万支。不少单位地热浴池向大众开放，此外还开发地热用于康乐保健7。

河北省开发利用地热能的规模较大。雄县城镇已有20万m2地热采暖工程，地热开发公司准备从匈牙利引进技术和资金来实现县城120万m2地热采暖工程;深州市城区已建成25万m2地热供暖工程和温泉游泳倌，在2003年以前要完成地热供暖面积160万m2，中长期规划中利用地热解决城区272万m2建筑物的采暖;衡水市区地热供热项目已经启动，项目内容包括钻12眼地热井和3眼回灌井，建3台10.5 MW调峰锅炉及配套设备，铺设供热管网60 km，实现供暖面积130万m2。

北方高纬度寒温带地区将以地热供热为主，培育开发利用新的生长点，推进新的开发地区，例如先期开发大庆地区1000～ 2000m深的地热资源，形成大庆石油的接替产业和地热开发基地，然后向哈尔滨-长春地区推进，推动松辽盆地地热资源综合开发利用;以辽东半岛、山东半岛为主的环渤海地区建立以地热能供热、温泉旅游、康复疗养为特色的地热开发利用和服务体系，与地缘经济、优美的自然景观、海洋环境协调发展7。