深层地热梯级利用在献县建筑节能领域的应用分析

1、引言。
 
  河北省献县深层地热资源储量丰富，具有埋藏浅、水温高、储量大的特点，被誉为“华北地区最大的地热富集区”，深层地热资源在献县建筑领域有着广阔的应用前景和巨大的节能潜力。
 
  地热资源是指能够为人类经济开发和利用的地热能、地热流体及其有用组分。地热资源为重要的可再生能源，经合理的开发利用是一种取之不竭、用之不尽的清洁能源。地热资源按温度分三级，高温地热资源（温度≥150℃）、中温地热资源（温度<150℃且≥90℃）和低温地热资源（温度<90℃）。一般14℃至15℃的地下水是浅层地热；出水温度大于25℃以上的地热资源是深层地热。
 
  2、深层地热梯级利用。
 
  地热梯级利用是指根据地热流体不同温度进行的逐级利用，有代表性的地热梯级利用是自高温至低温逐级利用。
 
  地热资源梯级利用在建筑上主要表现在高温地热流体先经过直接换热、再利用水源热泵技术提取低温地热流体中的能量，经过多级换热使用。如高温地热流体通过一级换热用来发电供居民使用，二级换热可以用来采暖，三级换热用来洗浴，四级可以通过水源热泵提取地热流体中的热量使之转换为高品位热源，最后温度低于20℃尾水回灌地下，通过这样的抽回灌，实现了深层地热资源在建筑节能领域的梯级利用。
 
  3、献县地质条件。
 
  献县位于华北新坳的Ⅲ级构造单元沧县台拱的次一级构造单元，献县断凸及冀中台陷上的次一级构造单元饶阳断陷区。献县断凸西侧以北东向献县断裂为界与冀中台陷内的次一级构造饶阳断陷相邻，东侧与阜城断陷相连。
 
  4、献县深层地热资源储量。
 
  据勘测，献县新近系明化镇组地热田地热流体资源量28.71x106t,相当于标准煤9.79x106t，折合热能117.36MW；地热流体有效利用热资源量20.22，相当于标准煤6.90t，折合热能85.11(MW)。
 
  5、献县深层地热水质特点。
 
  （1）明化镇上段地热水含水层440.8~845.8m、井口温度30~45℃、水量970~2460m3/d、矿化度0.4~1.17 g/L，平均0.62g/L，极软水，pH为8.5，为HCO3·Cl- Na型淡水。
 
  （2）明化镇下段地热水含水层底界深度1100 m左右、井口温度60℃左右、水量1000~1500m3/d、矿化度<2g/L、pH7.5~9.0，呈弱碱性，水化学类型为Cl-Na型。
 
  （3）雾迷山组地热水含水层底界深度2000m左右(饶阳断陷区为4000m左右)、井口水温90~100℃、水量1000~2000m3/d、83建 筑节能 与绿色建筑矿化度大于6g/L、pH6.8~7.09、水化学类型为Cl-Na型。
 
  献县的深层地热资源具有多层位、多温度的特点，地温梯度达6℃/100m，地热水的温度为60～100℃，单井出水量可达1000～1800m3/d，地热水达到国家医用矿泉水标准，不易形成碳酸类水垢，经过简单处理后，可直接进行利用。
 
  6、献县深层地热利用现状。
 
  经地质部门勘探献县地热开发利用潜力及前景十分广阔，但开发利用程度相对低，献县仅有献电热1、献电热2、献电热3、献电热4、献迎热1 等10余口地热开采井，主要集中在献县城区，这些地热井主要用于供暖，仅少量用于洗浴，开发利用形式较单一，主要为深层地热水经板式换热器换热后直接回灌，回灌深层地热水温度仍较高，这就造成了极大地能源、资源浪费。
 
  7、献县深层地热梯级利用方案设计。
 
  深层地热梯级利用技术能够将深层地热资源多级提取，多级利用，将资源利用最大化。献县地热水属于中低温水源，不易进行发电，加之冬季取暖能耗较大，可设计如下深层地热梯级利用方案。
 
  如深层地热梯级利用示意图，深层地热水经过两级换热器，制取的高温热水由一级管网供出；深层地热尾水经过尾水换热器，制取低温热水，再利用水源热泵技术提取热量，制取成为高温生活热水，由二级管网出水口供出。根据管网1、管网2的设定水温，可以将高温生活热水运用到采暖、洗浴等不同领域。
 
  8、献县地热供暖需求分析。
 
  根据最新统计，献县城区有建筑面积400万平方米。按照人口和建筑面积同比例增长的假设计算，预计到近期规划末建筑面积达到633.27万平方米，中期规划期末（2020年末）达到688.33万平方米，远期规划期末达到722.75万平方米。由于献县县城现有建筑面积已纳入献县供暖系统，故供暖需求重点分析新增建筑面积地热供暖需求。由献县城区工程数据可知：打井深度1800～1900米，出水温度平均90℃，传统利用形式换热后深层地热水回灌温度平均为40℃；若采用深层地热梯级利用技术，经过水源热泵提取热量后，回灌水温度20℃。按照地热供暖需热量50w/m2，单井日出水量1440m3/d（由抽水实验测得），热效率0.6计算，各个规划期末献县新增建筑面积地热供暖需求如表2。
 
  由表2可知，在满足同等需求的情况下，采用深层地热梯级利用技术比传统的深层地热利用形式平均减少28.5%的工程量，降低了工程量和工程成本。
 
  9、结论。
 
  目前，献县冬季取暖仍以煤为主要能源，其燃烧产生的二氧化碳、粉尘等对空气环境造成的污染日趋严重，成为困扰城市居民的一大问题。然而深层地热梯级利用技术能在满足供暖需求的基础上极大地减少工程量，降低成本，提升能源利用效率，并具有清洁、对大气污染极小、运行成本低、资源综合利用收益高等优点，加之献县在深层地热方面的资源优势，深层地热的梯级利用在献县的建筑节能领域有着广阔的发展前景。