地热能开发应用技术
第37卷第7期2021年4月
甘肃科技
Gansu Science and Technology
Vol.37 N〇.7
Apr. 2021地热能开发应用技术
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)
摘要：地热能是一种新型可再生能源，储量巨大，根据其陚存形式和埋藏深度等不同特点，需要相应的开发利用方式。浅层土壤源热泵和地下热水型水源热泵技术应用时间较长，其技术原理和特点为大家熟知。中深层地热供热技术是近几年开发的新型地热利用技术，由于其“取热不取水”的优点，得到迅速发展。根据项目所在地的特点，因地制宜地选择适宜的地热技术是地热健康发展的首要条件，对于提高清洁能源应用比例和绿发展具有重要的意义。
关键词：地热；中深层地岩热；浅层地热；水源热泵；干热岩
中图分类号:TK529
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#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
拍了拍怎么加后缀
根据国际能源署（I E A)、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U S x U H(折合4.27xl〇M乙t)，其中埋深在 5000m以浅的地热能基础资源量为lWSxlO26】(折合 4.95X107亿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_5x 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3.1xl0MJ(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3k m以浅的岩热资源量为24964.4xl0l2M J，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)m i。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
基金项目：甘肃省建设科技基金项目：地热能开发利用对促进我省清洁能源产业发展的研究（项目编号JK 2020-36)。
第7期田斌守：地热能开发应用技术37
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1t/h m或T/k m。我国大陆平均地温梯 度约
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、水热一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。干热岩一高 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
哈利波特男主角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 成本较髙。
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”19-'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
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|51，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
房屋遗产税从图中可以看出，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。
水平埋管热泵系统垂直埋管热泵系统
图2地源热泵地埋管方式
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 输人，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
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(C O P)较高，
供热成本低。但是只能
38甘肃科技第37卷
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m 2”，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 180T ，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200T ，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丈，2800~ 3705m 井段地温梯度大于80^/1™。开发干热岩的 技术一般称之为 E G S  (Enhanced  Geothermal  Sys ­
tems ：) 系统 ，是利用液压或爆破碎裂法把水注人到
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，这样循环往复其工作原理如 图4所示。
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3k m 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％
2.4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3(n ：
/k m ，那么3000m 处地温约801， 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2500n 〇岩层钻孔，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|n _131。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。
+ 中深层地^ ■■ 岩热主机
换热站
2000m -2500m
图5中深层地岩热供热原理歌颂祖国的歌曲
、供暖
J
终端
地
岩换热孔
图4利用干热岩发电系统原理
图6
同轴套管式换热系统
第7期
田斌守：地热能开发应用技术
39
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1.5~2m 2的绿节能建筑的
图7
换热影响半径
3结论
1)
地热资源储量巨大，是极具开发潜力的清洁
可再生能源。开发地热资源对于我国能源结构转 型、绿发展具有重要的作用。
2) 根据地热资源的赋存方式、工程用能特点和 地域特征，设计相应的开采应用方式和系统。3) 严寒寒冷地区不宜采用单一用途浅层土壤
源热泵系统，如果要采用该系统，就要做好地下热
汇平衡。
4)
水热型地热系统延米换热量大，系统能效
高。但要做好尾水回灌，否则会引起地基下陷、热水 资源浪费、地下水热污染等。
5) 干热岩是高品位地热能，目前处于资源勘探
和开采应用技术研究阶段。
6) 中深层地岩热资源普遍可得，在建筑供暖、
生活热水、设施产业等方面有广泛的应用前景。
参考文献：
|1]自然资源部中国地质调査局.中国地热能发展报告2018
[M 】.北京：中国石化出版社，2018.
(上接第108页）
建筑结构内给排水管道的施工质量，为高层建筑内 的广大业主提供更加安全、舒适、稳定的生活或工 作环境。参考文献：
[1]王华忠.抗震支吊架的应用与施工技术分析⑴.建材与装
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90t l  内地温基本恢复，120d 全程恢复。
lol游戏名字
0d
90d  120d
图8
地温恢复周期
[2] 汪集暘.地热学及其应用丨M ].北京：科学出版社，2020.[3] 王贵玲，刘彦广，朱喜，等.中国地热资源现状及发展趋势
[J ]•地学前缘，2020,27(01).
[4] 王劲松，季嘉恒.地热资源勘探开发利用前景分析[J ].住
宅与房地产,2019,(21).
[5] 赵军，戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用丨Ml .北京：中
国建筑工业出版社，2007.
[6]
马最良，姚杨，姜益强，等.热泵技术应用理论基础与实践
[M ].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[7] 陈东.热泵技术手册丨Ml .北京：化学工业出版社,2012.[8] 汪集暘，庞忠和，孔彦龙，等.我国地热清洁取暖产业现状
与展望科技促进发展,2020,16
[9]
翟龙涛.严寒地区太阳能耦合土壤源热泵强化地温平衡
特性研究卩].哈尔滨商业大学，2020.
丨10]郭敏，刁乃仁，朱科，等.冷热负荷不平衡地区地热
换热器设计及其运行对策0}北京工业大学学报,20丨9,45( 1).丨11]庞忠和，罗霁，程远志，等.中国深层地热能开采的地质条
件评价[J ].地学前缘，2020,27(01).
优秀周记500字可抄丨12]杜甜甜.中深层地埋管换热器的取热性能研究ID ].山东
建筑大学，2020.
丨13]孔彦龙，陈超凡，邵亥冰，等.深井换热技术原理及其换
热量评估丨J ].地球物理学报，2017,60( 12).
饰，2017,(42): 10-11.
[2]
GB  50242-2002，建筑给水排水及采暖工程施工质量 验收规范丨SJ .
[3] 张慧真.BIM 在建筑给排水工程中的应用探讨丨J |.四川水
泥，
2020,(08):65-66.

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。