摘要：清洁供热是中国北方地区打赢保卫蓝天战的重要举措。本文主要介绍利用地热资源供热的几种利用方式，从中分析其优缺点，从而指导供热方式的选择。
关键词：地热、供热、热泵
地热是指地球内部所蕴藏的热能，它来源于地球的熔融岩浆和放射性元素衰变时发出的能量。综合考虑热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素，地热资源可分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能 (增强型地热系统) 三种类型 (表1)。
目前在供热行业，利用地热实现区域集中供暖的方式主要有三种：浅层土壤源热泵技术、深井地热系统、深层干热岩热能系统。
一、浅层土壤源热泵技术
浅层地热能指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200m埋深），温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。目前，浅层土壤源热能的利用主要以土壤源热泵技术为主，用于城市单体建筑或建筑面积较小的建筑冬季供暖和夏季制冷。
浅层土壤源热泵技术，是利用大地土壤、地层、地下水作为冷热源。由于地下较深的土壤常年保持相对恒定的温度，因此地源热泵相比空气源热泵，其不仅COP较高，而且负荷不会随着外部环境温度的降低而急剧衰减。同时，利用土壤源热泵冬季供热和夏季供冷，在冷热负荷合理匹配的情况下，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。热量在大地中循环利用，土壤起到天气蓄能器的作用。该技术应用的难点是冷热负荷的匹配问题，否则经过一段时间运行后，造成土壤中热量增加或衰减，无法正常安全可靠运行。
二、深井地热系统
深井地热系统是利用地下较深的地热水资源的热能利用系统，井深和出水温度需根据当地的地质条件进行确定，一般井深在2000米左右、出水温度在60℃左右。
我国十分重视可再生能源的开发和利用。国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部《关于促进地热能开发利用的指导意见》：到2020年，地热能开发利用量达到5000万吨标准煤，形成完善的地热能开发利用技术和产业体系。
深井地热供暖系统工艺原理及流程，以某小区供热为例如图1。换热站工艺采用地热井多级梯级利用方式，首先将地热水通过一级板换，将58℃的地热水利用至37℃，然后37℃的地热水进入二级板换，通过热泵机组进一步提取地热能，最终地热水温度降至20℃，并通过回灌工艺回注到回灌井，从而实现“取热不取水”和可持续利用。
深井地热系统在充分利用地热资源，同时通过换热和热泵回灌工艺，实现了“取热不取水”，不会对地下水造成污染。并且其运行费用较低，在居民供热民生工程方面，利用效果显著。但是，其利用存在一定的局限性，首先该区域是否有合适的地热水资源，出水流量和温度能否满足供热需求。其次，该区域的地质特点，在当前的回灌技术下，能否实现100%回灌。这是深井地热系统在应用推广过程中，所面临的最重要的难题。
图1 深井地热供暖系统工艺流程示意图
三、深层干热岩热能系统
干热岩热能系统是一种中深层地热能利用新方式，它基于“取热不取水”（无干扰地岩热技术）理论。如图2，无干扰地岩热利用技术是指通过钻机向地下一定深处岩层钻孔（一般是2500米左右，具体深度视当地地质条件而定），在钻孔中安装一种密闭的金属换热器，通过换热器传导将地下深处的热能导出，并通过热泵系统将提取出来的热量品质提升后再向地面建筑物供热的新技术。该技术无污染，不受地面气候等条件的影响，能够有效保护地下水资源，实现地热能的清洁、高效、持续利用。
图2 无干扰地岩热供热示意图
四、三种地热利用方式对比
1、初投资比较分析
无论是浅层地热系统还是中深层地热系统，其初投资基本包含土建（主要是钻井）、设备采购、设备安装等。
① 为了更直观的了解浅层土壤源热泵投资情况，结合某项目给6万平米节能建筑物供暖为例进行计算，热指标按35w/㎡，其热负荷需求为2100kW。根据当地地质情况，设计地埋管埋深120米，需钻孔362眼。
② 深井地热系统采用一抽一灌的成井模式，按一口2000米左右的地热井出水量每小时80立方米、出水温度58℃、回灌温度10℃（利用热泵），其供暖热负荷约为3500kW，供暖面积约为8万平米。
③ 无干扰地热岩系统一口2500米的地热井并配置热泵可提供约600kW的热负荷，供暖面积约为1.5万平方米。
按运行小时数为2880小时计算，上述三种地热能利用形式的分项初投资见下表2。
3、环保分析
地热供暖系统供热时无燃烧过程，无废气、废液、废渣等任何排放，能量来自地热，治污降霾成效显著，具环保性。深井地热系统虽然直接提取地下水，但回水经过处理后再回灌，也避免了对地下水源的污染。无干扰地岩热系统与地下水隔离，仅通过换热器管壁与高温岩层换热，不抽取地下热水，也不使用地下水，故保护了地下水资源。
五、结束语
我国地热资源储量丰富，当前国家政策支持力度大，应用技术逐渐成熟，在供热行业也出现了许多实际案例，如天津、雄安等地。相比较其它能源利用方式，在供暖方面，其不仅运行稳定可靠，且运行费用相对较低，在地热资源丰富的区域，极具推广价值。对于不同地区，不同项目，应灵活选择三种地热利用形式，从项目运行效果上和运行收益上达到最佳。
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论文作者:贾森
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/15
标签：地热论文; 地热能论文; 系统论文; 深井论文; 土壤论文; 热能论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;